книги / Электронно-лучевая сварка и смежные технологии

Нежелательным представляется образование столбчатой струк­ туры в перекристаллизованной приповерхностной зоне образцов и деталей. Поскольку столбчатая структура формируется при боль­ ших значениях плотности вложенной энергии и значительном чис­ ле импульсов (ws=5 Д ж /см 2; л=40), то для модификации титановых сплавов можно рекомендовать более мягкие режимы обработки (ws= 2 ...3 Д ж /см 2) при сохранении большого числа импульсов. Фор­ мирование в поверхностном слое после облучения остаточных ра­ стягивающих напряжений должно приводить к понижению уровня служебных характеристик изделий (усталостной прочности, эрози­ онной стойкости, жаростойкости и др.). Следовательно, для повы­ шения значений этих рабочих характеристик необходима финиш­ ная термообработка (стабилизирующий вакуумный отжиг) облучен­ ных образцов и изделий. Такая термообработка может быть легко реализована при использовании стандартных вакуумных печей. В результате исследования влияния финишной термообработки на физико-химическое состояние поверхностных слоев мишеней было установлено:

■химический состав в приповерхностных областях при отжи­ ге практически не изменяется;

■в процессе термообработки в приповерхностной зоне тол­ щиной примерно 10 мкм происходит почти полный распад а "-ф а зы с образованием a-фазы и небольшого количества (3-фазы, а также аннигиляция дефектов кристаллической ре­

шетки (резко снижается полуширина рентгеновских линий)

и релаксация остаточных растягивающих напряжений;

■значения микротвердости поверхностных слоев облученных образцов после отжига несколько превышают величины, ха­ рактерные для образцов в исходном состоянии.

Усталостные испытания образцов из сплава ВТ18У показали, что с помощью электронно-лучевого облучения удается повысить их циклическую долговечность как минимум на порядок.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности модификации поверхностных слоев деталей из жаропрочных титано­ вых сплавов импульсным электронным пучком с целью повышения их эксплуатационных свойств. Технологии импульсного электрон­ но-лучевого облучения могут быть использованы в авиационной, газодобывающей, судостроительной промышленности, а также медицинской технике.

Комбинированные технологии модифицирования поверх­ ности. В последние годы активно развивают технологии модифи-

цирования поверхности второго поколения [106]. На поверхность металла наносят одноили многослойные покрытия (толщиной 0,01-5 мм) дуговыми или плазменными методами напыления либо наплавкой, а затем покрытия модифицируют под воздействием электронного пучка. Электронно-лучевая обработка изменяет структуру и свойства покрытий: происходит рекристаллизация, уменьшается пористость и количество микронеоднородностей. В ре­ зультате возрастает твердость и износостойкость покрытий, также их адгезия с основным металлом. Например, износостойкость хро­ мовых покрытий на титановом сплаве ВТЗ-1 после электронно­ лучевой обработки увеличивается в 10 раз.

Эффект формообразования при электронно-лучевом оплав­

лении. При оплавлении электронным пучком боковой поверхнос­ ти быстро вращающегося цилиндра экспериментально обнаруже­ но образование шестеренчатой формы [26].

Образцы из стали различных марок в форме цилиндра с радиу­ сом 1-3 см и длиной 5 -10 см закрепляли в горизонтальном поло­ жении в вакуумной камере и приводили во вращение с частотой 5000-10000 об/мин. Затем образцы нагревали электронным пуч­ ком, падающим на верхнюю образующую цилиндра и перемеща­ ющимся вдоль этой образующей со скоростью 5 мм/с. Парамет­ ры электронного пучка следующие: ускоряющее напряжение 40 кВ, сила тока пучка70-80 мА, эффективный радиус пучка г =0,1... 1 мм.

Поскольку теплоотвод с образца был ограничен, быстро проис­ ходил процесс теплонасыщения, после чего поверхность цилинд­ ра оплавлялась. Ввиду быс­ трого вращения образца ис­ точник теплоты распределя­ ется по кольцу эффективной ширины ДН=2гэф. Поэтому расплавленная область так­ ж е имела форму кольца, пе­ ремещающегося по поверх­ ности цилиндра вм есте с

пучком (рис. 100).

На переплавленной боко­ вой поверхности цилиндра было зафиксировано образо­ вание характерной структуры: на поверхности появлялось л зубьев (л= 15...35), высота

которых достигала 1/5 радиуса цилиндра, из-за чего образец прини­ мал вид шестерни (рис. 101).

Неровность внешнего края была намного меньше высоты зу­ бьев. Количество зубьев в образцах изменяли, но в пределах од­ ного эксперимента оно оставалось постоянным. В процессе сме­ щения кольцеобразной жидкой фазы нарастающие за ней зубья образовывали ребра, вытянутые вдоль образующей цилиндра (или слегка отклоняющиеся от нее по винтовой линии).

Были сделаны попытки управлять количеством зубьев с помо­ щью нанесения равноотстоящих рисок вдоль образующих цилин­ дра (риски в сечении имели форму квадрата 1 х1 мм). Количество зубьев совпало с количеством рисок, а сами зубья располагались строго посередине между рисок.

Описанные эксперименты открывают возможность целенаправ­ ленного изменения формы поверхности цилиндра путем ее локаль­ ного переплава.

Области и перспективы применения. Электронно-лучевое модифицирование поверхностей является перспективным техноло­ гическим процессом, освоение которого в промышленных масшта­ бах еще продолжается. Основа для более широкого его примене­ ния — глубокие лабораторные исследования, хорошие результаты опытно-промышленных испытаний, высвобождающееся на многих предприятиях оборудование для электронно-лучевой сварки. Кро­ ме того, электронно-лучевое модифицирование поверхностей для многих практических задач имеет решающие преимущества по сравнению с другими методами модифицирования (лазерное, ионное, ТВЧ и др.), такие как большая глубина модифицирова­ ния, вакуумная защита обрабатываемой поверхности, более высокая

производительность процесса, лучшие характеристики модифи­ цированного поверхностного слоя. В первую очередь электрон­ но-лучевое модифицирование поверхностей будет развиваться

вавтомобилестроении, производстве сельскохозяйственной тех­ ники и машин для переработки сельскохозяйственной продукции,

винструментальной и легкой промышленности, в турбостроении. Во многих случаях электронно-лучевое модифицирование зам е­ нит технологические процессы нанесения упрочняющих покры ­ тий, несмотря на их сравнительную невысокую стоимость. М ож ­ но также отметить успешное применение электронно-лучевого модифицирования при обработке оптических стекол.

Оборудование для электронно-лучевой обработки

Для реализации технологических процессов электронно-луче­ вой обработки поверхностей металлов используют как специали­ зированное оборудование [50, 63, 74], так и установки для элек­ тронно-лучевой сварки с небольшой модернизацией. Модерниза­ ция сварочных установок заключается в следующем:

■в электронной пушке либо на ее нижнем торце устанавли­ вают малоиндуктивную отклоняющую систему;

■систему управления отклонением электронного пучка заме­ няют на специализированную (быстродействующую, с про­ граммным управлением);

■манипулятор изделия или электронной пушки, а также его систему управления дорабатывают или заменяют для обес­

печения высоких скоростей перемещения (до 40 мм/с). Для автоматического управления электронно-лучевыми технологи­

ческими процессами локальной термообработки, поверхностной за­ калки и пайки изделий, программного управления параметрами элек­ тронно-лучевой сварочной аппаратуры предназначена система управ­ ления «ПУЛЬСАР» (ООО «Техномашприбор», Львов, Украина).

Система управления создана на базе персонального ком пью ­ тера класса Pentium с минимальным объемом ОЗУ 32 Мб.

В состав системы управления кроме персонального ком пью ­ тера входит: плата вывода аналоговых сигналов (L-1208); плата ввода-вывода дискретных и числоимпульсных сигналов (D IO -64); плата ввода аналоговых сигналов (L-154); датчики температуры (до 8 шт.); катушка динамической развертки электронного пучка; система быстродействующей развертки электронного пучка.

Система управления обеспечивает:

■развертку электронного пучка в двух координатах;

вод 3 выполнен из термостойкого неметаллического пресс-матери­ ала АГ-4В. Питание отклоняющей системы ОЛ138 осуществляет ге­ нератор развертки СУ225. Параметры отклоняющей системы при­ ведены ниже.

Техническаяхарактеристика отклоняющей системы ОЛ138:

Для измерения параметров температурного поля можно также использовать пирометрические системы, позволяющие осуществ­ лять контроль бесконтактно, через иллюминатор вакуумной кам е­ ры (см., например, [69]).

Электронно-лучевая наплавка

Известные методы порошкового напыления и наплавки (дуго­ вая, электрошлаковая, плазменная) имеют множество недостатков: трудности контроля и регулирования режимов нанесения покры­ тий, поводка и коробление детали, недостаточная прочность сцеп­ ления покрытий и основы.

Большинство перечисленных недостатков лишен метод элект­ ронно-лучевой наплавки (ЭЛН) в вакууме. Он более экономичен,

так как не требует применения инертного газа, при расплавлении в вакууме происходит рафинирование основы и наплавляемого по­ рошка от газовых примесей. Размер жидкометаллической ванны может быть очень мал, быстрая ее кристаллизация и последую­ щее охлаждение дает мелкую однородную структуру с высокой твердостью и износостойкостью.

В табл. 39 [75] приведены свойства покрытий из самофлюсующихся порошков на основе никеля и порошка высокохромистого чугуна, наплавленных методом ЭЛН. Показатель наплавляемости порошков означает способность порошка усваиваться .ванной расплавленного металла без газовыделения и при минимальном проплавлении основы. Покрытия после ЭЛН имеют твердость при­ мерно на 5 единиц выше твердости, получаемой при газотерми­ ческом методе нанесения покрытий. Пористость ЭЛН-покрытий невелика и в 4 -7 раз меньше пористости, получаемой при напыле­ нии с последующим оплавлением. Граница покрытие-основа без­ дефектна и практически неразличима на нетравленых шлифах.

Композиционные порошки как присадочный материал для на­ плавки получают спеканием в вакууме механических смесей кар­ бида титана с порошками металлов и сплавов, дроблением спеков и россевом на фракции. В качестве компонентов для приго­ товления смесей можно использовать СВС-карбид титана марки КП Т -7 производства Закарпатского опытно-металлургического за-

Таблица 39. Свойства покрытий, наплавленных промышленными порошками

Таблица 40. Свойства покрытий, полученных эл ектронно-лучевой

наплавкой композиционных порошнов

вода (Украина) по ТУ 48-056003-89, а также промышленные по­ рошки производства Торезского завода наплавочных твердых спла­ вов (Украина) и объединения «Тулачермет» (Российская Федера­ ция), а такж е промышленные порош ки сплавов П Г -1 0 Н -0 1 , ПХ20Н80, ПГ-УС25, Р6М5, Царамам-А. Суммарный химический состав порошковых смесей выбирают из условий высокой ж идкотекучести металлического расплава и хорошей смачивемости им карбида титана. В табл. 40 [75] приведены свойства ЭЛН -покры - тий, наплавленных композиционными порошками на основе титана. Как видно, при правильном подборе химического состава металли­ ческой матрицы удается получить покрытия с малой пористостью и высокой твердостью. Твердость покрытий можно регулировать, из­ меняя содержание карбида титана и химический состав металличес­ кой матрицы. Для некоторых составов возможно повышение твердо­ сти и прочности покрытия его термической обработкой.