Структура композиционных покрытий из несмешивающихся компонентов системы Cu Mo, полученных электровзрывным напылением и последующей электронно-пучковой обработкой

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (7), 2014
УДК 621. 785:669.1. 08. 29
Д.Л. Романов1, О.В. Олесюк1, Е.А. Будовских1, В.Е. Еромов1, Ю.Ф. Иванов2'3, А.Д. Тересов2
1Сибирский государственный индустриальный университет 2Институт сильноточной электроники СО РАН (г. Томск)
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
СТРУКТУРА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИИ ИЗ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ Cu-Мо, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫМ НАПЫЛЕНИЕМ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКОЙ*
Композиционные материалы системы молибден — медь обладают стойкостью к электрической эрозии, на порядок более высокой по сравнению со стойкостью контактной меди [1]. В настоящее время разработаны физические основы электровзрывного напыления (ЭВН) покрытий системы молибден — медь [2]. Перспективным направлением развития способов ЭВН композиционных материалов является модифицирование этих покрытий высокоинтенсивными электронными пучками [3].
Цель настоящей работы заключалась в модифицировании высокоинтенсивными электронными пучками электровзрывных композиционных покрытий из несмешивающихся компонентов системы Си — Мо и изучении их структуры.
Электровзрывное напыление покрытий проводили на модернизированной электровзрывной установке ЭВУ 60/ЮМ, описание которой приведено в работе [2]. Установка включает емкостный накопитель энергии и импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиально-торцевой системы электродов с размещенным на них проводником, разрядной камеры, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумную технологическую камеру с остаточным давлением 100 Па. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник тока большой плотности при разряде накопителя.
Покрытия наносили на электрические контакты размерами 20×30×2 мм из электротехнической меди марки М00. Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плот-
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13−212 009 офим и госзадания Минобрнауки № 2. 4807. 2011.
ность мощности [4]. Электровзрывное напыление проводили с использованием композиционного электрически взрываемого материала для нанесения покрытий- в настоящей работе использовали двуслойную медную фольгу с заключенной в ней навеской порошка молибдена. Поглощаемая плотность мощности при напылении составляла 4,1 ГВт/м2, диаметр молибденового сопла — 20 мм, расстояние образца от среза сопла — 20 мм. Массы фольги и порошковой навески составляли 238 и 272 мг.
Модификацию электрических контактов из электротехнической меди, подвергнутых электровзрывному напылению, осуществляли высокоинтенсивным электронным пучком, позволяющим плавить поверхностный слой с последующим высокоскоростным охлаждением за счет отвода тепла в объем материала. Использовали установку «СОЛО», разработанную и созданную в Институте сильноточной электроники СО РАН [5]. Режимы электроннопучковой обработки (ЭПО) представлены ниже:
Параметры ЭПО
Режим Es, Дж/см2 t, МКС N, ими.
1 45 100 10
2 50 100 10
3 55 100 10
4 60 100 10
5 60 200 20
Примечание. Es — плотность энергии пучка электронов- t и N — длительность и количество импульсов.
Сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) осуществляли с использованием растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO50.
Исследования поверхности облучения, осуществленные методами сканирующей элек-
7
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (7), 2014
тронной микроскопии, показали, что обработка образцов электронным пучком в указанном интервале параметров приводит к кардинальным преобразованиям поверхности образцов. В центральной части зоны воздействия пучка электронов (область, размеры которой увеличиваются от 10 мм при плотности энергии пучка электронов 45 Дж/см2 до 18 мм при 60 Дж/см2) исчезают микрокапли, микрократеры и микротрещины, описанные ранее в работе [2], рельеф поверхности выглаживается (рис. 1, а). Формируется поликристаллическая структура, средний размер зерен которой увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов от 10 мкм при 45 Дж/см2 до 22 мкм при 50 Дж/см2. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 60 Дж/см2 при длительности импульса воздействия 100 мкс сопровождается формированием поликристаллической структуры с высоким уровнем разнозернистости. Размер зерен изменяется в пределах от 3 до 40 мкм. Мелкие зерна группируются в области. Следовательно, при данном режиме облучения в поверхностном слое композиционного покрытия системы Си — Мо реализуются условия, способствующие протеканию процесса динамической рекристаллизации [6 — 9]. Увеличение длительности воздействия пучка электронов до 200 мкс при этой же плотности энергии пучка электронов приводит к форми-
Рис. 1. Морфология (а) и ячеистая структура (о) поверхности электровзрывного композиционного покрытия системы Си — Мо, модифицированного высокоинтенсивным электронным пучком (сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах)
рованию более однородной зеренной структуры (размер зерен изменяется в пределах от 10 до 20 мкм).
В объеме зерен, независимо от плотности энергии пучка электронов, выявляется характерная для скоростной кристаллизации [10] ячеистая структура, размер которой изменяется в пределах 0,25 — 0,50 мкм (рис. 1, б).
За пределами центральной зоны образцов наблюдается структура, характеризующаяся различной степенью модификации поверхностного слоя. Поверхность сглаживается по сравнению с поверхностью образцов после ЭВН, однако присутствуют микротрещины и микрократеры.
Соответственно эволюции морфологии поверхности облучения изменяется и элементный состав поверхностного слоя. В центральной зоне фиксируется однородное композиционное покрытие, содержащее молибден и медь в количестве 70 и 30% (ат.). На границе центральной зоны и за ее пределами области, обогащенные молибденом или медью, сохраняются.
В настоящей работе выполнены исследования фазового и элементного составов, состояния дефектной субструктуры поверхностного слоя электротехнической меди марки М00, подвергнутого ЭВН композиционного покрытия системы Си — Мо и последующему облучению высокоинтенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия. Выявлены режимы ЭПО, позволяющие формировать плотные, с зеркальным блеском поверхностные слои, обладающие субмикро- и нанокристаллической многофазной структурой.
Электронно-пучковая обработка поверхности электровзрывного напыления сопровождается, как отмечалось выше, выглаживанием поверхности модификации. В свою очередь это приводит к выравниванию толщины модифицированного слоя (рис. 2). Как следует из анализа изображения структуры поперечного шлифа, толщина модифицированного слоя после ЭПО изменяется в пределах от 30 до 50 мкм и незначительно уменьшается с ростом плотности энергии пучка электронов. Плавление модифицированного слоя электронным пучком приводит к устранению дефектов, обусловленных попаданием в расплав частиц порошка молибдена и осколков медной фольги: в модифицированном электронным пучком слое электровзрывного напыления микропоры и микротрещины практически не выявляются (рис. 2- рис. 3, а).
8
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (7), 2014
Рис. 2. Морфология поперечного сечения медного электрического контакта, подвергнутого ЭВН композиционного покрытия системы Си — Мо и последующей обработке электронным пучком (сканирующая электронная микроскопия в обратно отраженных электронах):
/ - слой ЭВН и последующей ЭПО- //-слой ЭВН- ///слой термического влияния
Сопровождающаяся плавлением слоя электровзрывного напыления ЭПО приводит к формированию композиционной дисперсноупрочненной структуры по всему сечению модифицируемого слоя (рис. 3, а). Размеры
включений меди изменяются в пределах от 0,1 до 0,2 мкм. В случае ЭВН размеры включений меди изменяются в пределах от 0,1 до 2,0 мкм.
Электронно-пучковая обработка, сопровождающаяся плавлением напыленного слоя, способствует его гомогенизации. Это подтверждается как структурными исследованиями поперечного шлифа (не удалось обнаружить осколки медной фольги в объеме напыленного слоя), так и результатами анализа элементного состава.
Таким образом, выполненные исследования показывают, что ЭПО слоя ЭВН медных электрических контактов, осуществляемая в режи-
ме плавления, приводит к формированию структурно и концентрационно однородного поверхностного слоя.
Выводы. Впервые проведено модифицирование высокоинтенсивным электронным пучком электровзрывных композиционных покрытий из несмешивающихся компонентов системы Си — Мо. Выполнены исследования фазового и элементного составов, состояния дефектной субструктуры поверхностного слоя электротехнической меди марки М00, подвергнутого электровзрывному напылению композиционного покрытия системы Си — Мо и последующему облучению высокоинтенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия. Выявлены режимы электронно-пучковой обработки, позволяющие формировать плотные, с зеркальным блеском поверхностные слои, обладающие субмикро- и нанокристаллической структурой на основе молибдена и меди. Выполненные исследования показывают, что электронно-пучковая обработка слоя электровзрывного напыления электротехнической меди марки М00, осуществляемая в режиме плавления, приводит к формированию структурно и концентрационно однородного поверхностного слоя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Анисимов А. Г., Мали В. И. Исследование возможности электроимпульсного спекания порошковых наноструктурных композитов // Физика горения и взрыва. 2010. № 2. С. 135- 139.
Рис. 3. Структура поперечного сечения медного электрического контакта, подвергнутого ЭВН композиционного покрытия системы Си — Мо и последующей обработке электронным пучком (сканирующая электронная микроскопия в обратно отраженных электронах):
а — слой ЭВН и последующей ЭПО- б — слой ЭВН- в — особенности на границе электровзрывного покрытия с основой
— 9 —
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (7), 2014
2. Романов Д. А., Будовских Е. А., Гр омов В. Е. Электровзрывное напыление электроэрозионностойких покрытий: формирование структуры, фазового состава и свойств электроэрозионностойких покрытий методом электровзрывного напыления. — Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & amp- Co. KG, 2012. -170 c.
3. Rotshtein V., Ivanov Yu., Markov A. — Chapter 6 in Book «Materials surface processing by directed energy techniques» / Ed. by Y. Pauleau. — Elsevier, 2006. P. 205−240.
4. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А. Я. Багаутдинов, Е. А. Будовских, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Еромов. — Новокузнецк: изд. СибЕИУ, 2007. -301 с.
5. Иванов Ю. Ф., Коваль Н И. Низкоэнергетические электронные пучки субмиллисекундной длительности: получение и некоторые аспекты применения в области материаловедения. — В кн.: Структура и свойства перспективных металлических материалов / Под общ. ред. А.И. Потекае-ва. — Томск: Изд-во НТЛ, 2007. С. 345 -382.
6. Горелик С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. — М.: Металлургия, 1978. -568 с.
7. Рекристаллизация металлических материалов / Ред. Ф. Хесснер. — М.: Металлургия, 1982.- 352 с.
8. Лариков Л. Н., Засимчук Е. Э. Механизм рекристаллизации деформированных металлов. — В кн.: Изучение дефектов кристаллического строения металлов и сплавов. — Киев: Наукова думка, 1966. — С. 70 — 84.
9. Лариков Л. Н. Отдых, полигонизация, рекристаллизация и рост зерен. — В кн.: Физические основы прочности и пластичности металлов. — М.: Металлургиздат, 1963. С. 255−322.
10. Наноматериалы: структура, свойства, применение / А. М. Глезер, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, Ю. П. Шаркеев. — Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2010. — 423 с.
© 2013 г. ДА. Романов, О. В. Олесюк, Е. А. Будовских, В. Е. Еромов, Ю. Ф. Иванов,
А. Д. Тересов Поступила 18 ноября 2013 г.
— 10 —

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой