» » Электронно-лучевая обработка материалов
18.01.2016

После воздействия мощных электронных пучков (МЭП) в структуре углеродистых сталей Ст 45 и У7А можно выделить литую быстрозакаленную зону и зону термического влияния, совмещенного с ударно-волновым нагружением.
В первой зоне быстрозакаленного расплава формируются слои со значительно различающейся структурой. В зависимости от количества импульсов эта зона толщиной до 10 мкм состоит из нанокристаллических слоев мартенситных и аустенитных зерен размером 30 нм, причем в поверхностном слое толщиной 100 нм присутствует остаточный аустенит, а следующий слой толщиной 200 нм состоит только из нанокристаллов мартенсита. Скорость охлаждения этой области оценивают 10в10 К/с. По мере увеличения количества импульсов МЭП доля аустенита в поверхностном слое возрастает до 60 %.
Снижение скорости охлаждения расплава до 10в8 К/с в следующем слое толщиной от 0,3 до 5 мкм приводит к формированию более крупнозернистой мартенситной структуры. Дальнейшее понижение скорости охлаждения расплавленного металла в слое глубиной до 10 мкм сопровождается выделением частиц карбидной фазы.
Зона термического влияния в соответствии с традиционной терминологией представляет собой область металла, в которой при нагреве не происходит оплавления, а протекают процессы фазовых превращений и формирования структуры в твердом состоянии. Она располагается в глубине металла после оплавленной зоны.
В отличие от электронно-лучевой сварки, при воздействии МЭП имеют место не только нагрев и связанные с ним диффузионные процессы перераспределения легирующих элементов, ко также интенсивное ударно-волновое воздействие с образованием зоны совмещенного термического и ударно-волнового воздействия. В этом слое происходит фрагментация зерен, образуются дисперсные выделения избыточной фазы, увеличивается плотность дислокаций, двойниковых прослоек, растут упругие остаточные напряжения (искажение решетки).
Микротвердость по глубине поверхностных слоев стали Ст45, предварительно закаленной в твердом состоянии в соответствии с традиционной технологией и подвергнутой воздействию МЭП. характеризуется наличием двух максимумов. Оба максимума расположены в зоне термического влияния: первый максимум (15 ГПа) на глубине 50 мкм и второй (8 ГПа) на большей глубине — 150 мкм.
Воздействие МЭП с более высокой энергией - 1 МэВ при длительности импульса 50 не и удельной мощности 10в10 Вт/см2 приводит к расширению зоны упрочнения в глубину металла и достижению твердости 15 ГПа по всей толщине до глубины 10 мм. Эффект интенсивного упрочнения в этом случае связан с процессами фрагментации мартенситных зерен, интенсивным наклепом металла в результате ударио-волнового воздействия, а также перераспределением углерода с послойным выделением высокодисперсных карбидов, которое обусловлено влиянием дислокационной структуры и термического эффекта ударной волны.
При воздействии МЭП на материалы возможно поверхностное упрочнение в результате быстрой закалки оплавленного слоя и упрочнение расположенного под ним слоя вследствие ударно-вол-нового воздействия.
На образцах стали У7А происходит поверхностное оплавление с образованием расплавленного слоя толщиной 25—30 мкм и последующим высокоскоростным охлаждением расплава (4*10в6-2*10в7 К/с). Микроструктура поверхностного слоя характеризуется наличием мелкодисперсного мартенсита, упрочненного частицами цементита, и остаточного метастабильного аустенита.
Увеличение энергии электронов (200—500 кэВ), удельной мощности (10в8-10в9 Вт/см2) при уменьшении длительности импульса до 10в-7C сопровождалось при облучении стали У7А возрастай кем вклада упрочнения, обусловленного ударно-волновым воздействием.
При обработке МЭП поверхности многих сталей (СтЭ5, Ст45, 40Х, Р6М5, Х6ВФ, 111X15 и др.) также происходит увеличение микротвердости. Эффект упрочнения обычно больше при обработке отожженной стали и меньше — при обработке закаленной.
Уменьшение коэффициента трения и увеличение износостойкости низколегированных сталей 9ХС и У8 в несколько раз происходит при облучении электронами с энергией 2 МэВ.
При воздействии МЭП на инструментальные твердые сплавы типа BK [WC, (TiC)+Co] в режиме оплавления происходит частичное растворение карбидов с образованием пересыщенного раствора ка основе кобальтовой матрицы. В результате такой обработки стойкость инструмента при повышенных скоростях резания возрастает в 2—3 раза при увеличении микротвердости матрицы в результате дисперсионного упрочнения на 15—20 %.
В общем случае при МЭП-обработке жаропрочных титановых сплавов с оплавлением поверхности повышается однородность распределения легирующих элементов, образуется однофазный слой аномально-пересыщенного твердого раствора, снижается шероховатость поверхности, поверхность очищается от оксидных и углеродных пленок. В результате обработки на порядок возрастает предел выносливости изделий из титановых сплавов.
Облучение электронными пучками, так же как и облучение лазерным излучением, может приводить к аморфизации материалов.
Процесс аморфизации сплава Ni — 50% Ti при облучении в высоковольтном ПЭМ (Е~ 1 МэВ) протекает неоднородно, с образованием в мишени кристаллических, а также аморфных областей, критический размер которых составляет - 5 нм. Облучение при температуре 160 К и плотности потока электронов 1,1 - 10в20 см-2 с-1 в течение 60 с приводит к полной аморфизации.
При облучении сплава FeCrхP17С7 (х = 8—13 мас. %) в ускорителе «Кальмар» (энергия электронов 0,35—0,5 МэВ, удельная мощность (1—3)*10в9 Вт/см2, длительность импульса -10в-7 с) аморфизация происходит в слое толщиной 40—50 мкм.
МЭП-обработка применяется для модифицирования деталей с покрытиями с целью улучшения качества покрытий и повышения сопротивления усталостному разрушению. Обработка в режиме оплавления покрытий состава Ni—Cr—Al—Y на лопатках компрессоров газотурбинных двигателей позволяет значительно снизить шероховатость поверхности, повысить жаростойкость (на 25 % при 1050 °С) и предел выносливости лопаток. Оптимальные параметры МЭП могут обеспечить перекристаллизацию ранее нанесенных покрытий, повысить их адгезию, например путем импульсного жидкофазного перемешивания, что способствует повышению жаростойкости и износостойкости вследствие залечивания дефектов покрытий, формирования переходной диффузионной зоны между покрытием и подложкой.
При восстановительном ремонте деталей авиационных двигателей накоплен опыт использования МЭП-обработки для снятия поврежденных и нанесения новых покрытий.
МЭП-обработка применяется также при получении ультрадисперсных (нанокристаллических) порошков, молекулярных кластеров, фуллеренов (молекулярного углерода) путем быстрого плавления, испарения или взрывного выброса вещества мишени на охлажденную подложку.