Исследование влияния физико-химических воздействий на структуру и свойства шва при лазерной сварке металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Дроздов, Владимир Олегович

• Дроздов, Владимир Олегович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Дроздов, Владимир Олегович

Содержание

Стр.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Основные особенности и преимущества лазерной сварки:

1.2. Характерными особенностями лазерной сварки являются:

1.3. Основные преимущества лазерной сварки перед другими видами сварки:6

1.4. Основные физические процессы и виды лазерной сварки

1.5. Классификация процессов лазерной сварки

1.6. Основные режимы лазерной сварки:

1.7. Качество и свойства лазерной сварки

1.8. Фундаментальные задачи теории кристаллизации сварного шва

1.8.1. Гомогенная нуклеация

1.8.2. Гетерогенная нуклеация

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ СУСПЕНЗИИ РАСПЛАВА С НАНОДИСПЕРСНЫМИ ТУГОПЛАВКИМИ ЧАСТИЦАМИ

2.1 Физическая модель строения суспензии

2.2. Оценка диффузионной устойчивости некоторых тугоплавких наночастиц

2.3. Устойчивость к расплавлению в перегретом расплаве наночастиц, плакированных металлом

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ НУКЛЕАЦИИ И РОСТА ТВЁРДОЙ ФАЗЫ ПРИ ГЕТЕРОГЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

3.1. Влияние размерных и капиллярных эффектов на зарождение твердой фазы на тугоплавких наночастицах

3.1.1. Равновесие кластера на криволинейной поверхности

3.1.2. Зарождение твердой фазы на сферической подложке

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОКАПИЛЯРНОЙ КОНВЕКЦИИ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАНОМОДИФИЦИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗОНУ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ

5.1.Сварка титановых сплавов ВТ 1- 0 и ВТ 20 излучением непрерывного СОг лазера

5.2. Экспериментальное исследование сварки образцов

из стали 12Х18Н10Т

5.2.1.Основные трудности при лазерной сварки нержавеющей стали

5.2.2. Влияние нанопорошковых модификатооров на структуру и свойства сварного соединения стали 12ХН10Т

5.3. Влияние композитных вставок, полученных взрывом, на свойства сварного соединения нержавеющей стали с титаном

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния физико-химических воздействий на структуру и свойства шва при лазерной сварке металлов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из основных задач современного машиностроения является повышение конкурентной способности выпускаемой продукции за счет снижения ее себестоимости, увеличения ресурса работы. Ресурс работы деталей машин и механизмов во многом определяется рациональностью выбора марки конструкционных материалов и технологии их обработки.

Прогрессивной тенденцией развития современного машиностроения является широкое использование лазерной сварки, как эффективного метода повышения качества и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Лазерная сварка позволяет существенно повысить коэффициент использования материалов, снизить трудозатраты на изготовление деталей, то есть в конечном итоге снизить себестоимость выпускаемой продукции за счет широкого использования сварных узлов.

Однако, несмотря на имеющиеся успехи в использовании лазерного луча при обработке материалов, технические достижения в этой области, как в России, так и за ее пределами остаются ограниченными. Это обусловлено наличием ряд принципиальных проблем. Например, проблема получения бездефектного, структурно- и химически однородного шва, обладающего высокими прочностью и пластичностью. Известно, что лазерная сварка характеризуется жесткими термическими циклами, что в некоторых случаях приводит к потере технологической прочности и пластичности сварного соединения, либо к образованию в шве различного рода дефектов (пор и микротрещин).

Поэтому важной задачей является нахождение путей решения данных проблем. Одним из вариантов улучшения структуры и свойств сварного шва является модифицирование его специально подготовленными нанопорошками тугоплавких химических соединений (ТШ, ТлСМ и др.). В процессе охлаждения активированные наночастицы становятся дополнительными центрами кристаллизации, что приводит к резкому уменьшению размера зерна и изменению

его морфологии. В результате этого повышаются пластичность, конструктивная прочность соединения, уменьшается пористость [1-7].

Цель работы: теоретическое и экспериментальное исследования возмож-ности улучшения структуры и повышения конструкционной прочности сварных соединений с помощью физико-химического воздействия на зону лазерной обработки метала (модифицирование нанопорошками тугоплавких соединений, применение поверхностно активных веществ, промежуточных композиционных вставок).

Научные задачи:

Термодинамический анализ устойчивости к расплавлению в перегретом расплаве адсорбционного слоя, плакирующего тугоплавкую дисперсную частицу.

Исследование влияния размерных и капиллярных эффектов модифицирующих наночастиц на процессы гетерогенной нуклеации.

Построение модели и численный анализ влияния термо - капиллярной конвекции на распределение наномодифицирующих частиц в жидкой ванне расплава, формирующейся под действием лазерного излучения.

Экспериментальные исследования влияния наномодифицирующих добавок на структуру и механические свойства лазерных соединений стали и титана. Влияние промежуточных композитных вставок, полученных взрывом, на свойства сварного соединения нержавеющей стали с титаном.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.

1.1. Основные особенности и преимущества лазерной сварки:

Лазерная сварка может быть рекомендована к применению, когда необходимо выполнить следующие требования к изделию:

получение прецизионной конструкции, размеры которой практически не должны меняться;

- малая зона термического влияния;

- минимальные остаточные напряжённые состояния;

- высокая коррозионная стойкость.

1.2. Характерными особенностями лазерной сварки являются:

- высокая производительность процесса. Так, характерные скорости сварки

могут достигать 3-6 м/мин, а при использовании лазерно - дуговой техноло-гии и до 30 м/мин.

- высокая технологическая прочность сварных соединений (до 95% от прочности самого металла).

1.3. Основные преимущества лазерной сварки перед другими видами сварки:

- лазерный луч легко регулируется и с помощью зеркальных оптических систем направляется в труднодоступные для других способов места;

- не требуется вакуум, как при электронно-дуговой сварке;

- минимальная ширина шва (типичная 0,5 - 2мм);

- минимальная дальнейшая механическая обработка изделия;

- возможность сварки самого широкого спектра марок сталей, сплавов и тугоплавких материалов - от высоколегированных углеродистых марок стали до сплавов меди и титана, керамики и стекла;

- возможность сварки разнородных металлов, отсутствие присадочных материалов;

-возможность сварки встык листов металла достаточно большой толщины за один проход;

- отличные свойства металла шва и около шовной зоны, во многих случаях механические свойства металла шва не хуже свойств основного металла, а иногда и выше;

- малая ширина зоны термического влияния и малый уровень деформаций, примерно в 3-5 раз ниже, чем при дуговой сварке;

- возможность сварки в труднодоступных местах и разных пространственных положениях;

хорошая управляемость и гибкость процесса, возможность полной автоматизации;

- возможность транспортировки лазерного излучения от источника на значительные расстояния, а для волоконных лазеров и по оптическому световоду;

- экологическая чистота процесса, определяется отсутствием флюсов и других сварочных материалов.

Однако при всех преимуществах лазерная сварка имеет ряд недостат-ков, из которых следует отметить следующие::

- низкий КПД (-10 %);

- из-за неспособности лазерного луча проникать в металл, теплопередача происходит только с поверхности. Поэтому, чтобы достичь глубокого проплавления необходимо осуществлять сварку при повышенной тепловой энергии в пятне нагрева, что вызывает образование парового канала (кинжальное проплавление). Это приводит к формированию рыхлости, бугристости, пористости.

- высокие скорости нагрева и охлаждения металла обуславливают закалку материала шва, что приводит к снижению пластичности, ударной вязкости и циклической прочности, образованию трещин.

Основы технологии лазерной сварки материалов создавались в ФИАЭ им. И.С. Курчатова, институте электросварки им. Патона и в ряде других научных центров СССР:в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, в ЦНИИ КМ Прометей, МВТУ им. Баумана, Политехническом университете Санкт-Петербурга и в других научно-технологических и учебных центрах. Так, на ПО "Балтийский завод" была доведена до промышленного внедрения технология лазерной сварки специального теплообменного модуля из титановых сплавов [8, 9] , где лазером производилась сварка трубок толщиной стенки до 2.5 мм в трубную доску.

Решающий шаг в направлении использования лазерной сварки был сделан в 1996 году, когда был успешно завершен европейский проект, пос-вященный изучению возможностей использования лазерной сварки в судо-строительной промышленности [10]. К сожалению, в проекте, объединившем восемь стран Европы, Россия не участвовала, несмотря на большой научный и технологический задел в этой области. Технические материалы проекта были переданы в классификационные организации стран-участников, кото-рые разработали нормы использования лазерной сварки в судостроении. Этим, по - существу, был дан "зеленый свет" широкому применению новой технологии в судостроительной промышленности. В настоящее время лазерная сварка уже широко используется на ряде верфей Великобритании, Германии и Японии для сварки ряда типовых конструктивных фрагментов, например, крупногабаритных сотовых панелей.

Вторым технологическим прорывом можно считать начавшееся применение лазерной сварки алюминиевых сплавов в автостроении и авиастроении. Так, концерн Airbus применяет лазерную сварку для соединения стрингеров (продольных силовых элементов) с обшивкой при изготовлении нижней части фюзеляжа [11].

1.4. Основные физические процессы и виды лазерной сварки

Процесс лазерной сварки состоит в расплавлении металла под действием высококонцентрированного источника световой энергии. Излучение лазера фокусируется на поверхности металла в области стыка двух деталей, частично поглощается верхним слоем металла, вызывая его нагрев до температуры плавления и кипения. Хотя поглощающая способность металлов и сплавов относительно невелика, но с ростом температуры поглощение растет. При достижении состояния кипения пленка жидкого металла может вытесняться под действием обратного давления струи паров металла и образуется каверна, а затем и парогазовый канал. В таком режиме излучение лазера поглощается почти полностью, а с точки зрения теплофизики источник нагрева имеет характер линейного. Если сфокусированный пучок излучения движется по стыку, то

образуется зона проплавления и поверхности свариваются. К сожалению, существует еще один физический эффект, существенным образом усложняющий картину процесса. Это образование плазменного облака над поверхностью металла. Сравнительно легко ионизируемые пары металла начинают поглощать лазерное излучение, образуя плазменный факел. Этот факел может оказывать разнообразное влияние на процесс: 1- отрицательное, из-за блокирования передачи части лучевой энергии к поверхности металла и в канал проплавления, или рассеивания пучка вследствие образования отрицательной оптической линзы, 2 - положительное, за счет косвенного нагрева поверхности металла в начальных стадиях, когда прямое поглощение излучения невелико. Для исключения вредного влияния плазменного факела используют плазмоподавляющие газовые смеси. При лазерной сварке это обычно смесь гелия с аргоном, которая одновременно выполняет и функции защиты расплавленного металла от окисления воздухом. Так как скорости лазерной сварки могут быть достаточно велики, то иногда необходимо применять и газовую защиту хвостовой зоны и даже обратной стороны шва. Здесь можно применять чистый аргон. В классическом варианте для лазерной сварки не нужны ни присадочные материалы, ни флюсы. Процесс сварки бесконтактный и хорошо управляемый. В отличие от дуговых способов сварки здесь не нужно применять специализированных источников энергии с падающей характеристикой [12 - 20].

1.5. Классификация процессов лазерной сварки

По типу лазерного источника для промышленных применений разработаны три основных вида лазеров: 1. СОг-лазеры, это газовые лазеры, обычно работающие на смеси гелий-азот-углекислота. Лазеры отличаются по организации разряда, но самыми современными на настоящий момент являются лазеры с ВЧ-разрядом, в частности, так называемые щелевые лазеры (slabblasers). Длина волны излучения этих лазеров - 10.6 мкм. Мощности излучения до десятков киловатт; 2. YAG- лазеры, это твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате. Они различаются по источнику накачки, ламповому или диодному. Лазеры с диодной

накачкой (БР88) достаточно дороги и для сварочных применений используются редко. Длина волны излучения этих лазеров - 1.06 мкм - ближний инфракрасный диапазон. Мощности излучения до 5-6 кВт; 3. Волоконные лазеры. Это на настоящий момент самый новый тип лазеров со своеобразной конструкцией. В этих лазерах рабочим телом служит кварцевое оптоволокно, легированное редкоземельными металлами, а накачка выполняется лазерными диодами. Это же волокно используется для транспортировки излучения к сварочной головке, что чрезвычайно удобно. Мощности излучения до 5 кВт.

1.6. Основные режимы лазерной сварки:

1. Сварка непрерывным излучением - мощность лазерного излучения или

постоянна во времени, либо имеет импульсный характер с частотой импульсов порядка десятков килогерц

2. Импульсная или импульсно-периодическая сварка - в этом случае частота лазерных импульсов всего 10-300 Гц, а энергия каждого импульса значительна.

По схеме сварки можно выделить сварку встык, внахлест, угловая и прочие варианты, отличающиеся взаимным положением деталей и лазерного луча.

Кроме того, используются целый ряд комбинированных видов сварки, например, лазерно-дуговая сварка.

Здесь идея состоит в том, чтобы большую часть энергии вкладывать не через лазерный луч, а через дуговой разряд. Эта технология чрезвычайно эффективна для высокоскоростной сварки небольших толщин металла. Известно, что при высоких скоростях дуга сама по себе ведет себя нестабильно, поэтому лазерное пятно нагрева является специальным "стабилизатором дуги", так как создает устойчивую точку привязки дуги к металлу. За счет такой комбинации удается уменьшить капитальные затраты на оборудование в несколько раз [21, 22].

При сварке достаточно толстых пластин (¿/ > 1 мм) применяется режим "кинжального проплавления". Физическая модель образования "кинжального

проплавления" при сварке непрерывным лазерным излучением формулируется следующим образом. Лазерное излучение с критической плотностью энергии

9 2

более 10 Вт/м , попадая на поверхность материала, нагревает его со скоростью, существенно превышающей скорость отвода теплоты за счет теплопроводности, конвекции и обратного излучения. Возникает локальное испарение металла, и на поверхности формируется лунка, которая при достаточной мощности источника развивается вглубь материала и приводит к образованию канала, заполненного парами материала (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема продольного сечения сварочной ванны: 1 - лазерный луч; 2 - плазменный факел; 3 - парогазовый канал;

4 - хвостовая часть сварочной ванны ; 5 - закристаллизовавшийся металл;6

- свариваемый материал.

Давление паров материала не дает полости закрыться под действием гидростатических сил окружающего жидкого металла и сил поверхностного натяжения. При соответствующей скорости относительного перемещения луча и обрабатываемого участка канал приобретает динамическую устойчи-вость и распространяется вглубь материала. На передней стенке канала происходит плавление материала, который по боковым стенкам канала переносится на заднюю стенку, где и затвердевает. Наличие канала дает возможность лазерному

излучению проникать в материал на некоторую глубину. При этом образуется узкий шов с большим отношением глубины к ширине (Рис. 1.2, б) [20].

мШ

а) б)

Рис. 1.2. Внешний вид стыкового сварного соединения (а) и макрошлифа (б) из стали 22К толщиной 12 мм. Сварка выполнялась на СО 2-лазере "Ижора-М" [11,19]. Мощность 9 кВт, Усв = 55 м/ч, гелий

Рис. 1.2 иллюстрирует морфологию сварного шва (а) и макрошлиф его поперечного сечения (б) при сварке в стык 2-х стальных пластин [23].

1.7. Качество и свойства лазерной сварки.

С точки зрения теплофизических и металлургических процессов при лазерной сварке она имеет основной особенностью существенно меньшие времена плавления и кристаллизации металла, а также очень локальную зону термического влияния. Это приводит к особому режиму металлургических трансформаций металла, в частности, к образованию различных неравновесных структур в металле шва. В то же время многочисленные исследования и аттестации показали, что лазерная сварка отличается очень высокой технологической гибкостью и высоким качеством сварного

шва .Для множества конструкционных материалов свойства сварного шва не хуже свойств основного металла.

В процессе исследований лазерной сварки определили задачи, решение которых необходимо для разработки надежной технологии сварки металлов больших толщин. В частности, необходимо устранить резкое увеличение ширины

шва в верхней части его поперечного сечения, неблагоприятное направление роста кристаллов, наличие закалочных структур в зоне глубокого проплавления, наличие множества газовых пор, неудовле-творительную пластичность шва.

Улучшение эксплуатационных свойств сварного соединения металлических материалов связано с целенаправленным изменением структуры, фазового состава расплава, в результате чего сплавы приобретают в локальных объемах свойства, недостижимые при традиционных методах обработки.

В последние годы большой интерес вызывают исследования по применению нанодисперсных тугоплавких порошков в качестве модифицирующих добавок с целью измельчения литой структуры и повышения качества стали и сплавов [1 - 6]. Ввиду того, что атомы на поверхности наночастиц имеют соседей только с одной стороны, их равновесие нарушается и происходит структурная релаксация, которая приводит к смещению межатомного расстояния в слое толщиной в 2-3 нм. Поэтому поверхностные слои частиц оказываются растянутыми, а внутренние сжатыми. В наночастицах реализуется особый тип дальнего порядка, при котором межатомное расстояние закономерно изменяется при переходе от центра частицы к ее поверхности. При этом трансляционная симметрия, характерная для макроматериалов, отсутствует, но дальний порядок существует, а средние межатомные расстояния существенно меньше (примерно до 10 %), чем в соответствующих массивных материалах. Наночастицы имеют существенно искаженную кристаллическую решетку, что влияет на энергию активации большинства процессов, в которых они участвуют, меняя их обычный ход и последовательность [2].

Введение специально подготовленного нанодисперсного порошка в расплав формирует дисперсную систему, в которой ядром каждой частицы суспензии служит твердая фаза, гетерогенизирующая жидкий металл по химическому составу, вызывая концентрационное переохлаждение в объеме адсорбированного на поверхности наночастиц слоя. В результате этого каждая наночастица становится потенциальной затравкой для зарождения новой фазы (кристалла,

интерметаллического или химического соединений и др.). Благодаря этому в расплаве в процессе его охлаждения формируется мелкодисперсная глобулярная структура.

Это в свою очередь способствует формированию высоких физических и механических свойств металла.

1.8. Фундаментальные задачи теории кристаллизации сварного шва.

Если говорить о моделирование процессов кристаллизации в сварочной ванне, то в первую очередь можно было бы попробовать провести аналогию с кристаллизацией отливок. Однако и этот процесс представляется достаточно сложным, что обусловлено рядом причин. В первую очередь это одновременное и взаимообусловленное протекание нескольких физических и физико-химических явлений и процессов, таких как тепло- и массоперенос, зарождение, рост и столкновения кристаллов в процессе их коллективного роста, выделение из расплава растворенных в нем газов, приводящее к зарождению и росту газовых пор и формированию газовой пористости, развитие объемной усадки сплава при затвердевании, приводящее к фильтрации расплава между растущими кристаллами, от степени полноты которой зависит величина и распределение усадочной пористости.

Кроме того, имеет место нарастание термических напряжений, определяющих упругопластическую деформацию дендритного каркаса и возможное его разрушение, которое, при наличии жидкой фазы и её доступа к месту разрушения, может быть залечено.

Не менее серьезным затруднением математической формализации является дендритная форма кристаллических зерен, характерная для большинства режимов литейной технологии, которая может быть описана только при учете анизотропии поверхностной энергии кристаллов, кривизны их поверхности, локальной концентрационной неоднородности, кинетических эффектов роста. Граничное условие на сложной поверхности дендрита должно учитывать выделение скрытой

теплоты фазового перехода, а для кристаллизации растворов выделение/поглощение растворенного компонента.

Для описания такой совокупности процессов необходимо привлекать, по крайней мере, три масштабных уровня: макро-, микро- и нано. Макроуровень - это масштаб самой отливки, её кристаллического строения и дефектов литья типа усадочных раковин, трещин и макроликвации. Микроуровень - это масштаб, нижней границей которого ограничиваются допущение описания двухфазной зоны как сплошной среды и применимость уравнений переноса массы, импульса и энергии. Этому масштабу соответствуют отдельные кристаллические зерна и их строение (микростроение отливки), дендритный параметр, микроликвация, тепло-и массоперенос на фронте кристаллизации и микропористость. Наноуровень -масштаб отдельных атомов, молекул и их группировок. Фазовые флуктуации в переохлажденном расплаве приводят к образованию группировок атомов с таким же расположением атомов, как и в кристалле. Если размер группировки больше критического, формируется зародыш кристалла, рост которого продолжается за счет присоединения отдельных атомов к уже существующей поверхности раздела по дислокационному, послойному или нормальному механизмам роста. На этом уровне трудно указать какие-либо характеристики кристаллического строения или его дефектов, которые имели бы такое же влияние на свойства отливок, как на двух первых уровнях. Однако очевидно, что дальнейшее развитие теории формирования отливки движется именно в этом направлении.

Математическая формализация перечисленной выше совокупности процессов принципиально возможна, однако решение такой сложной сопряженной задачи (системы уравнений) представляет в настоящий момент непреодолимые вычислительные трудности, поэтому теория формирования кристаллического строения отливки развивается за счет упрощенных математических моделей [24 -27].

Значительный вклад в общую теорию кристаллизации был внесен в 50-70-х годах прошлого столетия в работах Дж.Гиббса, М. Фольмера, \¥.Тиллера, Б.

Зельдовича, Колмогорова и др., а в макроскопическую теорию затвердевания слитков и отливок в работах М. Флемингса, В. Т. Борисова, В. А. Журавлева, Ю. А. Самойловича, Баландина В.Ф., Галенко П.К, А.Н. Черепанова и др.

В случае же моделирования процессов кристаллизации в сварочной ванне мы сталкиваемся ещё с рядом проблем. Большие скорости нагрева и охлаждения, возникающие в результате воздействия мощных лазерных импульсов, качественно меняют ход кристаллизации и плавления металлов. При быстром нагреве металл может перегреться значительно выше температуры плавления, оставаясь в кристаллическом состоянии [14, 28, 29]. Если же дозированным импульсом лазерного излучения создать на поверхности металла или сплава достаточно тонкий слой расплава, то расплав благодаря быстрому остыванию перейдет в твердое аморфное состояние (металлическое стекло) минуя кристаллизацию [33]. Последовательное описание таких явлений требует изучения кинетики фазовых переходов, нахождения скорости образования новой фазы внутри образца. Эта скорость определяется частотой возникновения зародышей новой фазы. Известно, что частота зародышеобразования (нуклеации) резко возрастает вблизи гетерогенных центров, а в случае плавления также и вблизи границ металла [30 - 35].

Анализ теоретических представлений о процессах нуклеации в расплавах показывает, что в настоящее время существуют две основные концепции, с позиции которых обычно проводятся изучение подобных явлений. Это -классическая (капиллярная) теория, использующая в своём аппарате макроскопические термодинамические свойства веществ, и атомистическая теория, рассматривающая зародыши как агрегаты, состоящие из отдельных частиц. Согласно [35 -37], атомистическая теория оказывается полезной при рассмотрении нуклеации, протекающей в условиях большого переохлаждения, где критические зародыши состоят из нескольких атомов. Поскольку в рассматриваемой работе исследуется гетерогенная нуклеация в области малых переохлаждений, атомистическая теория в дальнейшем рассматриваться не будет.

1.8.1. Гомогенная нуклеация.

Согласно современным представлениям, структура жидкого расплава представляет собой сочетание кластеров и отдельных молекулярно-атомных элементов. Соответственно этому образование зародыша новой фазы описывается кинетикой кластеров или отдельных атомов. Как правило, скорость зародышеобразования в системе, вызванного коагуляцией мономеров (кластеров или атомно-молекулярных частиц), описывается выражением согласно классической теории [37]:

с{пн)=Ф//7с(1) ехр(-*Г / к),

Где с(пк) - концентрация кластеров из пк атомов, Ф!р отличается от единицы в случае образования зародыша из кластеров, УУ - свободная энергия образования критического зародыша

\У(пн) = пнЬц + сг-А, (1 2)

Д/^-Ж7^)» (1.3)

(¿1 - химические потенциалы твёрдой и жидкой фаз. Выражения (1.1)-(1.3) отражают математическое сходство между кластерным и атомно-молекулярным подходом.

Кластерный подход развит для описания фазовых переходов в однокомпонентной системе. Хотя процесс кластеризации имеет место и в многокомпонентных средах, для описания процесса фазообразования обычно используется формализм кинетики атомно-молекулярных частиц на основе классической теории нуклеации. Причиной этого является присутствие в системе как кластерных так и атомно-молекулярных компанент [38], а также комплексность явлений и сложность описания миграционных (молекулярных и конвективных) процессов. Для описания молекулярного переноса кластеров и атомно-молекулярных компонент обычно вводится эффективный коэффициент диффузии [38, 39], при этом влияние конвекции обычно так же учитывается с помощью коррекции величины эффективного коэффициента диффузии. В

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дроздов, Владимир Олегович, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / Сабуров В.П., Черепанов А.Н., Жуков М.Ф., Галевский Г.В., Крушенко Г.Г., Борисов В.Т. Новосибирск: Наука. 1996. 312 с.

2. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. М.: Атомиздат, 1977. 264 с.

3. Модифицирование сталей и сплавов дисперсными инокуляторами / Сабуров В.П., Еремин E.H., Черепанов А.Н., Миннеханов Т.Н. Омск: изд-во ОмГТУ. 2002, 212 с.

4. Черепанов А.Н., Борисов В.Т. К теории гетерогенного зародышеоб-разования на ультрадисперсных сферических частицах // Докл. РАН. 1996. Т. 351. №6. С. 783-785.

5. Упрочнение металлических полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками / Жуков М.Ф., Черский И.Н., Черепа-новА.Н и др.. Новосибирск: Наука. 1999. 307 с.

6. Крушенко, А.Н. Черепанов, В.А. Полубояров, В.А. Кузнецов. Результаты опытно-промышленных исследований повышения свойств черных и цветных металлов с помощью тугоплавких нанопорошковых материалов // Изв. вузов. Черная металлургия,- 2003.- № 2.- С. 12-14.

7. Крушенко Г.Г., Мишин A.C. Сварка листов из сплава АМгб прутком, содержащим ультрадисперсные порошки// Сварочное производство. 1995, № 1.С. 2-3.

8. Журов Н.В., Мильруд С.Р. Некоторые технологические особенности лазерной сварки трубных соединений // Использование высококонцентрированных источников энергии в сварочном производстве: материалы краткосрочного семинара 20-21 декабря.-Л.: ЛДНТП.-1983.-С.34-40.

9. Лазерная сварка со сквозным проплавлением сталей различных классов // А.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипчеко и др. // Автома-тическая сварка. - 1987, М 9.- С.26 - 29.

10. D. Rassel. С02 - лазеры в судостроении. Перевод из журнала Euro LASER, 1997, №1 - Лазер-Информ, №127, август 1997.

11. Rendings К.Н. Aluminium structures used in aerospace-status and tehnologies// Material Sciense Forum. 1997. V.24. P .11-21.

12. Крылов К.И. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1978.

13. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. - М.: Мир. 1981.638 с.

14. Дьюри У. Source Book on Electron Beam and Laser Welding//Ameri-can Society for Metals.- USA.- 1981. 398 p.

15. Веденов A.A., Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергия, 1985.

16. Рыкалин H.H., Углов A.A., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. - М.; Машиностроение. 1985. - 496 с.

17. Дьюри У. Лазерная технология и анализ материалов. - М.: Мир, 1986. 504 с.

18. Ракин С.М. Разработка технологических основ лазерной сварки тонколистовых алюминиевых конструкций: дис. канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э Баумана, 1986. - 149 с.

19. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н. Лазерная сварка металлов. М.: Выс-шая школа, 1988. 207 с.

20. Басов Н.Г., Горный С.Г., Данилычев В.А. и др. Физи - ческий механизм глубокого проплавления при лазер - ной сварке металлов. Письма в ЖТФ, 1985,11, № 21, с.1337-1341.

21. Григорьянц А.Г. Сопоставление процессов лазерной и дуговой сварки // Сварочное производство, 1980, №9, с. 1-3.

22. J. Weber. Laser Offers Key Economies in Heavy Section Welding//. Welding Journal, 1983, N2, p.23-26.

23. Игнатов А.Г., Козлов A.B., Скрипченко А.И. и др. Лазерная сварка со сквозным проплавлением сталей различных классов. Автоматическая сварка, 1987, N9, с.26-29.

24. Судник В.А., Радаи Д., Ерофеев В.А. Компьютерное моделирование лазерно-лучевой сварки. Модель и верификация // Свароч. пр-во. 1997. № 1.С. 28-33.

25. Черепанов А.Н., Шапеев В.П., Фомин В.М., Семин Л.Г.. Численное моделирование теплофизических процессов при лазерно-лучевой сварке // Прикладная механика и техническая физика. 2006. № 5. С. 88-96.

26. Шапеев В.П., Исаев В.И., Черепанов А.Н. Численное моделирование лазерной сварки стальных пластин // Физ. Мезомеханика. 2011. Т. 14. № 2. С. 107-114.

27. Баландин Г.Ф. Теория формирования слитка. М.: Машиностроение, 1979.

28. А.И. Федорченко, А.А. Чернов. Модель спонтанной кристаллизации тонкого слоя расплава, приведенного в контакт с массивной подложкой// ПМТФ. 2001. Т. 42. № 6. С. 124 - 130.

29. Веденов А.А. Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергия, 1985.

30. Байков А.П., Шестак А.Ф. О характере плавления металлических проводников при импульсном нагреве. - Письма в ЖТФ, 1979,т.5, вып. 22, с. 1355-1358.

31. Бровер Г.И. Теоретические и экспериментальные исследования особенностей формирования структур поверхностных слоев сплавов в условиях лазерного нагрева // Тезисы доклада 2 собрания металловедов России, Пенза, 1994. -С.38.

32. Turnbull D. Metastable structures in Metallurgy. -Metallurgical Transactions B, 1981, v. 12B, N 2, p. 217-230.

33. Зельдович Я.Б. К теории образования новой фазы. Кавитация. -ЖЭТФ, 1942, т. 12, вып. 11-12, с. 525-538.

34. Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. Пер. с нем. М.: Наука, 1986. 208 с.

35. Странинский И.Н., Кашиев Р. К теории роста кристаллов и образо-вания кристаллических зародышей // УФН. 1939. Т. 21. №4. С. 408-465.

36. Странинский И.Н., Кашиев Р. К теории роста кристаллов и образования кристаллических зародышей // УФН. 1939. Т. 21. №4. С. 408-465.

37. Nishioka К. and Maximov I.L. Concept of the critical nucleus in nucleation -Sci. Rep. RITU/ Material Design by Computer Simulation IV - Nucleation Theory and Simulation. 1997. A. Vol. 43. № 1, p. 1-3.

38. Ершов Г.С., Черняк В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. М.: Металлургия, 1978. 248 с.

39. Алексеечкин И.В., Байка А.С., Abromeit С. О кинетике изотермического фазового перехода переохлаждённой жидкости // Металлофизика и новейшие технологии. 1998. Т. 20. №6. С. 15-22.

40. Lazaridis М., Kulmala М., et al. Binary heterogeneoug nucleation at a non uniform surface // J. Aerosol Sci. 1991. V. 23. № 5, P. 457 - 465.

41. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968, 289 с.

42. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. М: Металлургия, 1976. 560 с.

43. Nishioka К. and Maximov I.L. Concept of the critical nucleus in nucleation -Sci. Rep. RITU/ Material Design by Computer Simulation IV - Nucleation Theory and Simulation. 1997. A. Vol. 43. № 1, p. 1-3.

44. Низкотемпературная плазма 12 // Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов. Под ред. В.М. Фомина, А.Н. Черепанова. Новосибирск: Наука, 1995, 254 с.

45. Гольдшмидт X. Дж. Сплавы внедрения. М: Мир, 1971. Вып. 1. 224 с.

46. Еременко E.H.,.Толмачева З.И. Политермический разрез системы Ni-TiC// Порошковая металлургия. 1961. № 2, С. 21 - 29.

47. Д.Л. Лейчкис. Об устойчивости зародышей кристаллов при температурах превышающих точку плавления//Литейные свойства сплавов. Киев: ИПЛ АН, УССР, 1972. С. 9 -11.

48. С. Н. Анучкин, В. Т. Бурцев, А. В. Самохин. Взаимодействие наночастиц тугоплавких соединений с поверхностно-активными веществом в расплаве на основе никеля// Перспективные материалы. 2010.

49. Cao Lamei, A.N. Cherepanov, Tang Xin, GuHaipeng, Li Ailan, Zhang Yong. Effect of nanopovdered refractory compound on the refinement of solidifying structure and properties of K403 superalloy. Rare Metals. Vol. 28, Spec. Issue, Oct. 2009, p. 1-4.

50. V. Gaidarova, M. Manchev, V. Manolov, S. Konstantinova, An. Cherepanov. Experimental investigation of nanomodifiers and nanomodified Steel by HRSEM// J. Materials Science end Technology. V.18. N 2. 2010. P.l 11 - 119.

51. Комшуков В.П., Протопопов E.B., Черепанов A.H., Фойгт Д.Б. Исследование влияния нанопорошковых модификаторов на качество сортовой заготовки. Механические исследования// Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 2009. №2. С. 22-24.

52. А.Н. Черепанов, В.О. Дроздов, В.К. Манолов, В.А. Полубояров. Влияние нанопорошков тугоплавких соединений на свойства серого чугуна // Журнал ««Тяжелое машиностроение». 2012, №8. С. 8-11.

53. Новоселов А.Р., Щербаков Л.М. Размерная зависимость краевого угла микрокапли на плоской подложке//Адгезия расплава и пайка материалов. Киев: Наук. Думка, 1989. Вып.22. С. 6 - 8.

54. Калинина А.П., Черепанов А.Н., Борисов В.Т. Влияние линейного натяжения на скорость зародышеобразования на дисперсных частицах// Физическая мезомеханика. 1999. Т. 2. № 5. С. 99-103

55. Калинина А.П., Черепанов А.Н. Изучение особенностей зародышеобразования на ультрадисперсных частицах, получаемых плазмохимическим синтезом// Генераторы термической плазмы и технологии: Тез. Докл. 3-го Междунар. Рабочего совещания. Новосибирск, 1007.С 49.

56. Черепанов А.Н., Борисов В.Т. К теории гетерогенного зародышеобразования на ультрадисперсных сферических частицах // Докл. РАН. 1996. Т. 351. №6. С. 783-785.

57. Алчагиров Б.Б., Хоконов Ч.Б. Смачиваемость поверхностей твердых тел расплавами щелочных металлов и сплавов с их участием. Теория и методы исследований. // Теплофизика высоких температур. Том 32, №4. 1994 С. 590-626.

58. В.Н. Попов, А.Н. Черепанов, В.О. Дроздов. Численный анализ процессов модифицирования и кристаллизации поверхностного слоя металла под воздействием лазерного импульса при наличии поверхностно-активного вещества в расплаве // Журнал «Известия ВУЗов. Чёрная Металлургия».

59. V. О. Drozdov, А. N. Cherepanov. Melting Point of the Coating on a Refractory Nanoparticle // «Steel in Translation». 2014, Vol. 44, No. 2, pp. 96-98.

60. B.O. Дроздов, А.Н. Черепанов, В.Н. Попов, Термо- и гидродинамические процессы в жидкометаллической ванне, содержащей наночастицы, при импульсной лазерной обработке поверхности // XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям: сборник трудов, Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012, С. 120-122.

61. В.О. Дроздов, А.Н. Черепанов, В.Н. Попов. Динамика кристаллизации модифицированной наноинокуляторами металлической подложки при импульсной лазерной обработке // XVI Международная конференция по

методам аэрофизических исследований. Казань, 2012, книга абстр. Ч. 1, С. 72.

62. Ehlen G., Ludwig A., Sahm P.R. // Metall. Mater. Trans. A. 2003. Vol. 34A. P. 2947-2961.

63. Sahoo P., DebRoy T, Mc Nallan MJ. // Metall. Trans. B. 1988. Vol. 19B. P. 483 -491.

64. Титановые сплавы в машиностроении / Под ред. Г.И. Капырина. Д.: Машино-строение, 1977.

65. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979

66. Афонин Ю.В., Оришич A.M., Черепанов А.Н., Дроздов В.О. Лазерная сварка стали и титана с применением нанопорошковых инокуляторов// IV Всеросс. конф. «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине». Новосибирск: Нонпарель, 2011. С. 22-27.

67. Ю.В. Афонин, В.О. Дроздов, А.И. Оришич, Н.Б. Пугачёва, А.Н. Черепанов. Влияние нанопорошков на структуру и свойства шва титанового сплава при лазерной сварке // Сборник статей XII научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности" , Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, декабрь 2011, Том 3, Часть 2, С.9-12.

68. В.О.Дроздов, А.Г.Маликов, A.M. Оришич, А.Н.Черепанов. Экспериментальное исследование лазерной сварки металлов с применением нанопорошковых добавок // V Всероссийская конференция Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине. Новосибирск, 2013, Том 1. С. 97-101.

69. Черепанов А.Н., Афонин Ю.В., Оришич A.M. Лазерная сварка стали с титановым сплавом с применением промежуточных вставок и

нанопорошковых инокуляторов // Тяжелое машиностроение. - 2009 - № 8.-С. 24-26.

70. Сидякин В.А., Арбузов В.М., Хорстов B.C. Стыковая сварка разнородных металлов в инертной среде низкого давления// Мир техники и технологий. - 2009 - №10. - С. 40 - 45.

71. Rathod M., Kutsuma M. Laser roll bonding of A5052 aluminium Alloy and SPCC steel// Quarterly J. Jap. Weld. Soc. - 2003 - N 2. - P. 282 - 294.

72. Д.М. Калеко. Современные способы сварки алюминиевых сплавов со сталями // Автоматическая сварка. - 2012 - № 10 (714) - С. 29 - 36.

73. Быковский О.Г., Рябов В.Р. Проблемы сварки титана со сталью// Автоматическая сварка. - 1984 - № 4. - С. 34-36.

74. Быковский О. Г., Пеньковский И. В., Рябов В. Р. О механизме образования промежуточной прослойки при сварке титана со сталью // Автоматическая сварка. - 1991- № 11. - С. 22-24.

75. Дерибас A.A. Физика упрчнения и сварка взрывом. Новосибирск: -Наука, 1972.- 188 с.

76. Седых B.C., Казак H.H. Сварка взрывом и свойства сварных соединений. М.: - Машиностроение, 1971. - 70 с.

77. Pearson J. Recent advances in explosive pressing and welding: 2d Metals Eng. Conf. of Explosive // Amer. Soc. Metals. — Chicago, 1959. — P. 32 — 36.

78. Philipchuk V. Explosive welding status // Creative Manufacturing Seminar. ASTME Paper. — April, 1965. — P. 65 — 109

79. A.H. Черепанов, A.M. Оришич, В.И. Мали, Ю.В. Афонин, В.О. Дроздов. Лазерная сварка нержавеющей стали с титаном, с применением многослойной вставки полученной взрывом // XVI Международная конференция по методам аэрофизических исследований. Казань, 2012, книга. Ч. 2, С. 63-64.

80. А.Н. Черепанов, A.M. Оришич, В.И. Мали, В.О. Дроздов. Свойства сварных соединений титана с нержавеющей сталью, полученных

сваркой лазером с применением металлических вставок// V Всероссийская конференция Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине. Новосибирск, 2013, Том 1. С. 102-105.