Получение композиционных покрытий с внедрением частиц SiC в поверхность алюминиевых сплавов лазерным излучением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Самарин, Пётр Евгеньевич

• Самарин, Пётр Евгеньевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Самарин, Пётр Евгеньевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ СИСТЕМЫ А1-8Ю

1.1. Общие сведения

1.2. Методы получения композиционных покрытий системы А1-81С

1.3. Особенности взаимодействия между расплавом А1 и частицами 81С

1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Состав основного материала и керамических частиц

2.2. Материалы связующих веществ, используемые при создании шликерных покрытий

2.3. Экспериментальная установка

2.4. Методы исследования структуры и свойств композиционных покрытий

2.5. Измерение скорости движения порошковых частиц

2.6. Измерение температуры подогрева на поверхности подложки

2.7. Измерение толщины шликерного слоя

2.8. Выводы по главе 2

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ А1-81С МЕТОДОМ ОПЛАВЛЕНИЯ ШЛИКЕРНОГО СЛОЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

3.1. Выбор связующих веществ при создании шликерных покрытий

Стр.

3.2. Эксперименты по оплавлению шликерных покрытий на основе связующего

из поливинилового спирта и частиц БЮ

3.3. Выводы по главе 3

Глава 4. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛАЗЕРНОМ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

4.1. Физическая постановка задачи

4.2. Математическая постановка задачи

4.3. Построение разностной схемы

4.4. Результаты расчетов

4.5. Выводы по главе 4

Глава 5. ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ИНЖЕКЦИИ ЧАСТИЦ БЮ В РАСПЛАВ АЛЮМИНИЯ

5.1. Эксперименты по лазерной инжекции керамических частиц в расплав

5.2. Моделирование процесса проникновения частиц БЮ в поверхность алюминия при лазерной инжекции

5.3. Технология инжекции частиц БЮ в поверхность алюминия с подогревом подложки

5.4. Трибологические испытания модифицированных покрытий

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение композиционных покрытий с внедрением частиц SiC в поверхность алюминиевых сплавов лазерным излучением»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время развитие техники обусловлено повышением производительности, надежности и долговечности оборудования. Эти показатели можно улучшить при увеличении износостойкости деталей машин, а также повышении их эксплуатационных характеристик. Одним из путей обеспечения стабильных характеристик изделий является создание новых конструкционных материалов, либо нанесение на детали машин и инструмент защитных функциональных покрытий. В ряде случаев использование объёмно-легированных материалов является нерациональным. Достаточно получить на поверхности материала покрытие требуемой толщины и заданными свойствами. Поэтому созданию покрытий в последнее время уделяется большое внимание.

Покрытия классифицируются по своему функциональному назначению на: термобарьерные, износостойкие, коррозионностойкие, электроизоляционные.

В последние годы широкое применение находят метало-керамические композитные материалы с алюминиевой матрицей, упрочненной тугоплавкими, высокопрочными керамическими частицами карбида кремния Такие

композиционные материалы при определенной доле легирования частицами БЮ обладают низкими значениями коэффициента трения, а также высокими показателями по износостойкости.

Среди традиционных методов получения таких покрытий можно выделить технологию дуговой наплавки. Однако дуговая наплавка сопровождается большим перегревом основного металла, а также необходимостью создания специальных прутков из композиционного материала. Использование лазерных методов обработки для получения композиционных покрытий широко применяется с 80-х годов прошлого века. Однако, исследования в области получения композиционных покрытий системы АЬ-БЮ с помощью лазерного излучения крайне ограничены и не позволяют разрабатывать на их основе реальные технологические процессы.

В связи с этим, исследование процессов и разработка технологии лазерного нанесения метало-керамических покрытий на алюминиевые сплавы является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы - получение композиционных покрытий на поверхности деталей из алюминиевых сплавов путем ее модификации частицами Б ¡С в процессе лазерной поверхностной обработки.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать и исследовать метод нанесения шликерных покрытий, содержащих частицы БЮ, на алюминиевых сплавах с применением лазерного излучения.

2. Разработать физическую и математическую модель внедрения твёрдых частиц в расплавленную поверхность алюминиевой матрицы.

3. Теоретически оценить тепловое состояние в зоне лазерной модификации поверхности.

4. Разработать рациональные режимы и технологические приёмы создания на поверхности алюминиевых сплавов метало-керамических покрытий с частицами 8Ю путем их инжекции в ванну расплава, полученную лазерным излучением.

5. Провести анализ структуры и свойств покрытий в зависимости от методов и режимов обработки.

6. Исследовать трибологические свойства полученных покрытий.

Научная новизна работы, выносимая на защиту, состоит в следующем:

1. Теоретически и экспериментально показано, что внедрение частиц БЮ в алюминиевую матрицу на глубину от 0,8 до 1,2 мм достигается путем инжекции их одновременно с воздействием мощного лазерного излучения на подложку, предварительно подогретую до температуры от 300 до 350 °С.

2. Установлены закономерности растворения частиц SiC в зависимости от температуры и времени существования ванны расплава. Критерием растворения является пребывание частиц выше температуры 923 К более 0,15 - 1 с. Превышение этого критерия приводит к образованию карбидов алюминия, снижающих свойства получаемых покрытий.

3. Установлено, что при рациональных режимах, температурах и гидродинамических условиях предельно достигаемое содержание внедрённых в алюминиевую матрицу частиц SiC при лазерной инжекции не может превышать 5-7 %.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Показано, что на поверхности алюминиевого сплава под воздействием лазерного излучения можно получить метало-керамическое покрытие с частицами SiC толщиной около 60 мкм. путём оплавления шликерных составов.

2. Разработаны рациональные режимы и технологические рекомендации получения метало-керамических покрытий с частицами SiC путём инжекции их в ванну расплава, созданную мощным лазерным излучением.

3. Показаны преимущества созданных покрытий в части износа перед материалами без покрытий и покрытиями, созданными другими методами.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием теоретических и экспериментальных методов исследований. Для математического моделирования тепловых процессов, проходящих при лазерном воздействии, использовали стандартный программный продукт MATLAB 7.11. Металлографические исследования проводили с применением следующего оборудования: отрезной станок Struers Discotom-6, установка для заливки образцов Struers CitoPress-20, установка для полировки и шлифовки образцов Struers Tegramin-30, микроскоп Olympus GX51. Для измерения температуры подогрева подложки поверхности в процессе лазерной обработки использовался

тепловизор Testo 885. Скорость движения частиц в процессе лазерной инжекции измеряли высокоскоростной камерой Fastvideo-500M.

Достоверность. Достоверность работы обеспечена корректным использованием общих положений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теплопереноса, массопереноса и т.д.), проверена по известным критериям изучаемых процессов и подтверждена экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2010, 2013 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна: Машиностроительные технологии» (Москва, 2014 г.), Международной научно - технической конференции «Фотоника 2015» (Москва, 2015 г.).

Личный вклад. Самарин П.Е. лично провел анализ литературных источников для определения современного состояния исследуемой области и сформулировал цель и задачи диссертации, подготовил экспериментальный стенд и провел эксперименты, выполнил обработку полученных результатов и их обобщение, подготовил и сделал доклады на конференциях.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 5 научных работах, из них в статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ - 3, общим объёмом - 0,9 п.л.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 72 наименований. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 12 таблиц.

Глава 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

СИСТЕМЫ А^С

1.1. Общие сведения

В последние годы наблюдается повышение внимания исследователей к разработке и исследованию метало-матричных композитов, применение которых позволяет достичь значительного повышения уровня физико-механических и эксплуатационных свойств и расширения температурно-силовых интервалов работы изделий [1].

Алюминий и сплавы на его основе получили наибольшее распространение в качестве матриц для получения композитов (Рисунок 1.1, [2]). Значительный интерес к алюмоматричным композиционным сплавам обусловлен их высокой удельной прочностью, малой плотностью, хорошими технологическими свойствами.

60-----------------------------

— —_—„ ----- ------------

% 1 1 ¿>Г1А I .......с» г——ч 1 1 Ш!.. □ а .и

Ре Т| N1 Си Со Ве Ар, другие

Основы ММК

Рисунок 1.1. Использование матричных материалов [2]

В последнее время среди таких материалов особое место занимают композиционные материалы системы А1-8Ю. Они представляют собой алюминиевую матрицу, дисперсно-упрочненную частицами карбида кремния. При определённом выборе матричных сплавов и объемной доле легирования

частицами SiC такие композиционные материалы обладают низкими значениями коэффициентов трения и высокими показателями по износостойкости.

В процессе нагружения данных материалов матрица воспринимает основную нагрузку, а упрочняющие частицы выступают как барьер, препятствующий движению дислокаций.

Исследования трибологических свойств алюмоматричных композиционных материалов в настоящее время проводятся как у нас в стране, так и за рубежом [39]. При испытаниях на трение и износ дисперсно-упрочненные композиционные материалы системы Al-SiC показывают высокие показатели по износостойкости. Добавление в алюминиевые сплавы керамических частиц с высокой твердостью и размером несколько десятков микрон увеличивает износостойкость сплавов, а также, позволяет увеличить область существования вторичных структур во фрикционном контакте. Это обеспечивает стабильный процесс трения и износа в широком диапазоне режимов нагружения. При определенном выборе материала матрицы и объемной доле легирования такие композиционные материалы отличаются высокими показателями прирабатываемости и низкими коэффициентами трения.

Наличие в пластичных алюминиевых матрицах твердых керамических частиц увеличивает износостойкость сплавов. В работе [10] установлено, что при увеличении в структуре сплавов объемного содержания кристаллов кремния увеличивается износостойкость в условиях сухого трения скольжения образцов с матрицей из заэвтектических сплавов системы Al-Si.

Работа [11] посвящена исследованию сплава Д16 и композиционных материалов с алюминиевой матрицей из сплавов Д16, АМг и AJ12 с различным содержанием частиц SiC. Средний размер частиц составлял 28 мкм и 3 мкм. Объёмное содержание частиц карбида кремния в матрице составляло 2,5 % и 5 %. При проведении испытаний на трение без смазки образцы из композиционного материала на основе сплава Д16 обладают интенсивностью изнашивания на

порядок меньше по сравнению с материалом матрицы. В условиях трения со смазкой соответствующие значения интенсивности изнашивания отличаются в 2,5 раза. Образцы из композиционного материала на основе сплава АЛ2, содержащего 5 % частиц с размером 28 мкм обладают самыми высокими показателями по износостойкости. Такие высокие показатели можно объяснить присутствием кристаллов кремния в матрице АЛ2, которые выполняют функцию дополнительных армирующих элементов, как и частицы БЮ.

В работе [12] исследовалось влияние объемного содержания и размера армирующих частиц на износостойкость. В качестве матрицы использовались сплавы 2024 и 2014 (состав первого, мае. %: 0,5; Ре <0,5; Си 3,8 - 4,9; Мп 0,3 -0,9; Гу^ 1,2 - 1,8; Ъп 0,25; Сг 0,1; А1 - остальное и второго, мае. %: 0,6 - 1,2; Си 3,9 - 4,8; Мп 0,4 - 1,0; М§ 0,4 - 0,8; А1 - остальное). В качестве упрочняющих частиц применялись частицы Б ¡С и АЬОз, средний размер которых находился в диапазоне от 1 до 142 мкм. Содержание частиц в матрице составляло от 2 до 30 %.

В результате испытаний на сухое трение скольжение было показано, что износостойкость композиционных материалов повышается при увеличении размера и содержания упрочняющих частиц при сохранении других параметров постоянными.

В работе [13] показано, что дискретный наполнитель оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на износостойкость композиционных материалов. Положительные и отрицательные стороны армирования твердыми частицами пластичных матриц показано в Таблице 1.

Таблица 1.

Влияние дискретного наполнителя на износостойкость композиционных

материалов

Положительное Отрицательное

Повышение несущей способности за Образование участков зарождения

Таблица 1 - продолжение

счет перераспределения нагрузки трещин

Уменьшение образования задиров и повышение сопротивляемости схватыванию Увеличение скорости распространения трещин

Повышение теплостойкости Появление «третьего тела», в виде твердых частиц

Деформационное упрочнение -

Использование антифрикционных композиционных материалов с алюминиевой матрицей в качестве материалов, используемых в трибосопряжениях видится оправданным. В качестве альтернативы антифрикционным материалам, таким как БрОбЦбСЗ или А020-1 можно использовать дисперсно-упрочненные композиционные материалы с матрицей из АК12 и АК12М2МгН, содержащие более 5% частиц По данным из работы [14], для бронзы БрОбЦбСЗ интенсивность изнашивания составляет 0,104 мм3/м, что значительно меньше чем для композиционных материалов. Для композиционных материалов АК12+5% интенсивность изнашивания

составляет 0,0089 мм3/м, а для АК12М2МгН+6% БЮ - 0,0052 мм3/м. Также можно отметить, что такие КМ имеют значения коэффициентов трения, близкие для традиционных антифрикционных материалов таких как БрОбЦбСЗ, А020-1 и сохраняют постоянство в значительно более широком диапазоне режимов нагружения. Доказательством данного утверждения служит широкая номенклатура применения таких материалов при производстве поршней, вкладышей подшипников скольжения, шкивов, гильз цилиндров, тормозных колес и т.д.

Таким образом, нанесение композиционных покрытий на рабочие поверхности деталей позволит повысить их эксплуатационные характеристики и приведет к увеличению срока службы.

1.2. Методы получения композиционных покрытий системы А1-81С

В настоящее время для нанесения композиционных покрытий существует несколько технологических методов, таких как: дуговая наплавка [15, 70], плазменное напыление [17, 18], сварка взрывом [15, 16].

Разнообразие методов нанесения покрытий связано с невозможностью удовлетворить одновременно большому количеству требований, связанных с условиями эксплуатации поверхностей, технологией нанесения покрытий и экономичностью.

Одним из основных вопросов при получении покрытий является снижение тепловложения при формировании поверхностного слоя. Одним из путей явилось создание технологии плазменного напыления. Однако, технологии напыления характеризуются слабой адгезией покрытий с подложкой, когезионной прочностью, а также пористостью. Причиной этого является отсутствие при напылении единой жидкой ванны.

Традиционные способы наплавки характеризуются простотой, технологичностью и доступностью оборудования. Однако эти методы связаны со значительным перегревом металла при образовании металлургической связи с подложкой. Основным недостатком является существенное проплавление основы и перемешивание наплавляемого материала с основным металлом. Таким образом, дальнейшее повышение эксплуатационных свойств покрытий во многом связано с разрешением противоречия между необходимостью создавать эти покрытия при существовании единой жидкой ванны основного и присадочного металлов - с одной стороны, и необходимостью минимизировать перегрев этой ванны - с другой. Использование дуговых методов для нанесения

композиционных покрытий ограничено. Это связано с необходимостью создания специальных присадочных прутков из композиционного материала [15].

Использование высококонцентрированных источников тепла, таких как электронный и лазерный лучи, для преодоления указанного противоречия является одним из эффективных и простых решений. Применение лазерных технологий для получения покрытий началось еще в 80-е годы прошлого века [19, 20, 21]. Но и в настоящее время идет развитие лазерных технологий применительно к вопросам создания защитных композиционных покрытий [69] и материалов [71], а также модифицировании лазерным излучением поверхности алюминиевых сплавов [22, 23, 24, 25]. В основном эти работы выполнялись зарубежными исследователями и имеют ограниченность предоставленных сведений. Поэтому для того, чтобы полностью разобраться в вопросе создания композиционных покрытий системы А1-8Ю с применением лазерных технологий, необходимо провести ряд дополнительных исследований.

В работе [26] на алюминиевую подложку из сплава АА6061 предварительно наносилось покрытие, содержащее частицы 81С. По данной технологии на поверхности алюминиевых образцов получили композиционное покрытие. В результате износостойкость образцов с композиционным покрытием значительно увеличилась по сравнению с основным сплавом. Размер частиц 81С для получения удовлетворительных результатов должен быть 45 мкм и меньше.

1.3. Особенности взаимодействия между расплавом А1 и частицами 81С

В процессе обработки композиционных материалов с алюминиевой матрицей, армированной частицами ЭЮ, возникает проблема развития процессов химического взаимодействия частиц упрочнителя и расплавом матрицы.

Для дисперсно-упрочнённых композиционных материалов системы А1-81С является характерным протекание химической реакции между расплавом алюминиевой матрицы и частицами карбидами кремния с образованием карбидов алюминия [27, 28-32]. Из работ [27, 28, 29, 30] известно, что взаимодействие

между расплавом алюминия и частицами карбида кремния начинается при температуре 923 К. При значениях температур ниже 923 К взаимодействие не происходит даже при длительном времени нахождения в расплаве. На Рисунке 1.4а показана микроструктура образца, содержащего 40% 8 ¡С с размером менее 50 мкм, нагретого до температуры 840 К и выдержанного в течение 1200 часов [28]. На фотографии структуры отсутствуют продукты взаимодействия и наблюдается скольная огранка частиц карбида кремния.

В интервале температур 923-1620 К можно наблюдать взаимодействие при нахождении в расплаве в течение 0,1-2 часов. В данном диапазоне температур образуется карбид алюминия А^Сз и выделяется чистый кремниий по следующей химической реакции:

4А1 + ЗБЮ-^АЦСз + Зф] (1.1)

Согласно работам [27, 28, 29] данная реакция протекает достаточно быстро. В образце, выдержанном в течение 5 мин при температуре 1150 К можно наблюдать образование карбида алюминия А14Сз. На Рисунке 1.46 показана микроструктура образца. Карбид алюминия АЦСз выделяется на поверхности частиц БЮ в форме тёмных кристаллов. Неравномерность распределения АЦСз по поверхности приводит к нарушению скольной огранки частиц карбида кремния. Основной металл сплава представляет из себя доэвтектический сплав А1 - 81.

Количество карбидов алюминия АЬСз и 81 напрямую зависит от температуры расплава и времени выдержки. На Рисунке 1.4в показана микроструктура образца, выдержанного в течение 1 часа при температуре 1270 К. В результате взаимодействия материал матрицы насыщается кремнием и материала матрицы кремнием и имеет вид заэвтектического сплава А1 - 81. Размеры кристаллов АЬ}Сз увеличиваются и объединяются вокруг частиц карбида кремния.

Рисунок 1.4.

Микроструктура образцов [28]:

а) температура нагрева 840 К, время выдержки 1200 ч;

б) температура нагрева 1150 К, время выдержки 5 мин; в) температура нагрева 1270 К, время выдержки 1 ч

Протекание реакции между расплавом алюминия и частицами карбида кремния можно оценить с помощью коэффициента степени реакции а. Данный коэффициент представляет собой молярную долю SiC, вступившего в химическое взаимодействие с расплавом алюминия и образованием AI4C3. На Рисунке 1.5. показан график зависимости степени реакции а от времени выдержки образцов для разных температур и различных размеров частиц SiC [29]. При увеличении температуры с 1073 К до 1473 К значение коэффициента реакции увеличивается почти с 0,095 до 0,17 соответственно. Размер частиц также влияет на скорость протекания реакции (1.1). Состояние равновесия реакция достигает за 45 мин для частиц размером 7,9 мкм, а при размере частиц 0,9 мкм — это время составляет 15 мин. На Рисунке 1.6. показан график зависимости степени реакции а от времени выдержки для композиционного материала с алюминиевой матрицей, содержащей 40% частиц SiC размером менее 50 мкм [28]. При температуре 941 К время достижения равновесия составляет 200 часов, а при температуре 987 К - 50 часов.

<1473 Ю

====®

»

51

О. 1 -

10«ЪХШ

О

60

120

180

0

30

Рисунок 1.5.

Зависимость степени реакции (а) между расплавом алюминия и частицами 81С

при температуре 1273 К [29]:

1- для частиц БЮ размером 7,9 мкм; 2 - для частиц 81С размером 0,9 мкм

Данные из работ [28, 29, 30] указывают на тот факт, что количество кремния в алюминиевой матрице, значительно влияет на степень протекания реакции (1.1). Из Рисунка 1.5 можно увидеть, что при температуре 1273 К добавление 1% 81 при приводит к уменьшению значения степени реакции с 0,15 до 0,117. При содержании 10 % Б! это значение уменьшается до 0,083. Микроструктура образца с матрицей из алюминиевого сплава, содержащего 20% кремния, выдержанного в течение 1 часа при температуре 1270 К, показана на Рисунке 1.7. Из Рисунка 1.7 можно увидеть, что частицы сохраняются и имеют ровную поверхность. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что взаимодействие между частицами и расплавом ограничено.

Рисунок 1.6.

Зависимость степени реакции (а) между расплавом алюминия и карбидом

кремния [28]

Рисунок 1.7.

Микроструктура композиционного материала с матрицей из алюминиевого сплава, содержащей 20% 81 и упрочненной частицами [28]

В результате нагрева композиционного материала до температур более 1620 К в расплаве образуется тройной карбид АЦ81С4 по следующей реакции:

4А1 + 48Ю—► А1481С4 + 4[81] (1.2)

Рисунок 1.8 показывает микроструктуру образца, выдержанного в течение 30 мин при температуре 1770 К. На микроструктуре образцов можно отметить появление тройного карбида алюминия АЦБ^. Он представляет собой игловидные образования, которые растут по нормали от граней частиц в жидкую ванну расплава. Также можно наблюдать частицы АЦБ^ внутри частиц карбида кремния. Это указывает на то, что при диффузии в твёрдом состоянии возможен рост тройного карбида алюминия АЦЗ^.

По данным, полученным в работе [29] установлено, что протекание реакции (1.2) зависит от содержания частиц карбида кремния в матрице. При содержании частиц БЮ менее 10% реакция (1.2) проходит полностью при нагреве до температур более 1620 К. В итоге все частицы вступают в реакцию с расплавом алюминия и образуют карбиды алюминия АЦБ^. Но если в матрице содержится более 40% частиц БЮ, то не все частицы вступают во взаимодействие с расплавом. Это связано с тем, что матрица расплава насыщается кремнием, который выделяется в результате химической реакции (1.2) и препятствует дальнейшему взаимодействию.

Рисунок 1.8.

Микроструктура образца, выдержанного в течение 30 мин при температуре 1770К

[29]

Таким образом, для технологических процессов, непосредственно связанных с плавлением (наплавка, сварка, модификация) композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной частицами 81С, возможно протекание реакций (1.1) и (1.2) в ванне расплава. Но стоит отметить, что во всех исследованиях, механизм взаимодействия расплава алюминия с карбидом кремния рассматривался в стационарных условиях. Длительность времени протекания реакции не была ограничена. Это необходимо для того, чтобы определить факторы, влияющие на взаимодействие частиц карбида кремния и алюминиевого расплава. Большинство работ [28 - 30] посвящено взаимодействию алюминиевого расплава с частицами БЮ при температурах 923-1200 К, которые характерны для технологий литья.

Технологии лазерной обработки характеризуются высокими скоростями нагрева и охлаждения. Указанные выше исследования проводились при получении литейных композиционных материалов, поэтому за счет возможности регулировки термического цикла можно получить очень малое время пребывания частиц карбида кремния в высокотемпературной области, что возможно приведет к серьезному ограничению растворения частиц карбида кремния и получению покрытия с высокими свойствами.

1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования

1. Алюмоматричные композиционные материалы дисперсно-упрочненные частицами БЮ характеризуются высокими эксплуатационными и технологическими свойствами. Введение в алюминиевые сплавы частиц карбида кремния повышает износостойкость, а также обеспечивает низкие значения коэффициента трения.

2. Анализ литературы показал ограниченность сведений в вопросе получения композиционных покрытий системы А1-81С с использованием лазерных технологий.

3. Обзор результатов исследований взаимодействия частиц БЮ и алюминиевого расплава по литературным источникам показал, что необходима разработка технологических методов, которые уменьшают тепловое воздействие и ограничивают взаимодействие между расплавом алюминия и частицами в частности лазерных технологий.

Целью работы является получение композиционных покрытий на поверхности деталей из алюминиевых сплавов путем ее модификации частицами БЮ в процессе лазерной поверхностной обработки.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать и исследовать метод нанесения шликерных покрытий, содержащих частицы БЮ, на алюминиевых сплавах с применением лазерного излучения.

2. Разработать физическую и математическую модель внедрения твёрдых частиц в расплавленную поверхность алюминиевой матрицы.

3. Теоретически оценить тепловое состояние в зоне лазерной модификации поверхности.

4. Разработать рациональные режимы и технологические приёмы создания на поверхности алюминиевых сплавов метало-керамических покрытий с частицами Б ¡С путем их инжекции в ванну расплава, полученную лазерным излучением.

5. Провести анализ структуры и свойств покрытий в зависимости от методов и режимов обработки.

6. Исследовать трибологические свойства полученных покрытий.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Состав основного материала и керамических частиц

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Самарин, Пётр Евгеньевич, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kainer K.U. Metal Matrix Composites: Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering // Wiley-УСН. 2006. 330 p.

2. Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis/ A. A. Adebisi [et al.] // International Journal of Automotive and Mechanical Engineering. 2011. Vol. 4. P. 471-480.

3. Чернышова T.A., Кобелева Л.И., Болотова JI.K. Дискретно армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства // Металлы. 2001. №6. С. 85-98.

4. Поведение при сухом трении скольжения дисперсно наполненных композиционных материалов на базе алюминиевых сплавов с различным уровнем прочности/ Т.А. Чернышова [и др.] // Перспективные материалы. 2005. №5. С. 38-44.

5. Михеев Р.С. Разработка износостойких дисперсно-наполненных композиционных материалов и покрытий из них: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2010. 202 с.

6. Коберник Н.В Изготовление износостойких покрытий аргонодуговой наплавкой композиционного материала алюминиевый сплав АК12М2МгН -частицы SiC // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. №4. С 13-17.

7. Sannino А.Р., Rack H.J. Dry sliding wear of discontinuously reinforced aluminum composites: review and discussion// Wear. 1995. №189. P. 1-19.

8. How H.C., Baker T.N. Characterization of sliding friction-induced subsurface deformation of Saffil-reinforced AA6061 composites// Wear. 1995. №232. P. 106115.

9. Shipway P.H., Kennedy A.R., Wilkes A.J. Sliding wear behavior of aluminum-based metal matrix compositcs produced by a novel liquid route //Wear. 1998. №216. P. 160-171.

10. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. 272 с.

11. Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Болотова Л.К. Дискретно армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства // Металлы. 2001. №6. С. 85-98.

12. Composites of aluminum alloys: fabrication and wear behaviour /F.M. Hosking, [et al.]//Journal of Material Science. 1982. V. 17. P. 477- 498.

13. Sannino A.P., Rack H.J. Dry sliding wear of discontinuously reinforced aluminium composites: review and discussion// Wear. 1995. №189. P. 1- 19.

14. Композиционные материалы с матрицей из алюминиевых сплавов, упрочнённых частицами, для пар трения скольжения / Т.А. Чернышова [и др.]// Конструкции из композиционных материалов. 2007. №3. С. 38-48.

15. Коберник Н.В. Разработка технологических основ дуговой наплавки износостойких покрытий из композиционных материалов системы Al-SiC: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2008. 125 с.

16. Структура и свойства композиционных покрытий, полученных сваркой взрывом/ Н.В. Коберник [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2006. №3. С. 57-62.

17. Aluminium-silicon carbide coatings by plasma spraying / K. Ghosh [et al.]// Journal of Thermal Spray Technology. 1998. №7. P. 78-86.

18. Spray forming of aluminium alloys and its composites: an overview/ K. Raju [et al.] // Journal of Material Science. 2008. №43. P. 2509-2521.

19. J.D. Ayers, T.R. Tucker, R.C. Bowers A reduction in the coefficient of friction for Ti-6A1-V// Scripta Metallurgica. 1980. V. 14. P. 549-550.

20. J.H. Abboud, D.R.F. West Microstructure of titanium injected with SiC particles by laser processing// Journal of Materials Science Letters. 1991. V. 10. P. 1149-1152.

21. J.H. Abboud, D.R.F. West Ceramic-metal composites produced by laser surface treatment// Materials Science and Technology. 1989. №5. P. 725.

22. Design of surface in-situ metal ceramic composite formation through laser treatment/ T.N. Baker [et al.]// Materials Science and Technology. 1994. V. 10. P. 536-544.

23. H.J. Hegge, J. Boetje, J.Th.M. de Hosson Oxidation effects during laser cladding of aluminium with SiC/Al powders// Journal of Materials Science. 1990. V. 25. P. 2335-2338.

24. Formation of wear resistant Al-SiC surface composite by laser melt-particle injection process/ D. Pantelis [et al.]// Materials Science and Technology. 1995. V. 11. P. 299-303.

25. С. Ни, H. Xin, T.N. Baker Laser processing of an aluminium AA6061 allloy involving injection of SiC particulate// Journal of Materials Science. 1995. V. 30. P. 5985-5990.

26. C. Hu, T.N. Baker AA6061 Al-SiC Surface MMC's Produced by Laser Processing// Proceedings ofICCM-10, Whistler, B.C., Canada. 1995. P. 183-190.

27. Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями / Т.А. Чернышова [и др.]. М.: Наука, 1993. 272 с.

28. Viala J.C., Fortier P., Bouix J. Stable and metastable phase equilibria in the chemical interaction between aluminium and silicon carbide// Journal of Materials Science. 1990. V. 25. P. 1842-1850.

29. Iseki Т., Kameda Т., Maruyama T. Interfacial reactions between SiC and aluminium during joining//Journal of Materials Science. 1984. №19. P. 1692-1698.

30. Carim A.H. SiC/АЦСз interfaces in aluminum - silicon carbide composites// Materials Letters. 1991. №12. P. 153-157.

31. Ehrstrom J. C., Kool W.H. Production of rapidly solidified Al/SiC composites// Journal of Materials Science. 1988. V. 23. P. 3195-3201.

32. Control of the interface in SiC/Al composites / Jae-Chul Lee [et al.]// Scripta Materialia. 1999. V. 41. №8. P. 895-900.

33. URL: http://nfmetall.ru/articles/31 .html (дата обращения 09.09.2014 г.)

34. URL: httn://\vww.omtc.ru/rus/katalog/karbid kremniya zelenyj 63s 64s kkz.html (дата обращения 09.09.2014 г.)

35. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D6%E0%EF%EE%ED%EB%E0%EA (дата обращения 10.09.2014 г.)

36. URL: http://www.kraskidlyavas.ru/speeial/3584 (дата обращения 10.09.2014 г.)

37. ГОСТ 13078-81. Стекло натриевое жидкое. Технические условия. М., 1989. 17 с.

38. URL: http://budkomplektpro.com/index.php/home/266 (дата обращения 11.09.2014 г.)

39. URL:http://sammas.ru/spravochnik-materialov/smoly/poliefirnaya-smola.html (дата обращения 11.09.2014 г.)

40. URL: http://www.neboleeni.net/polivinilovvi-spirt.plip (дата обращения 16.09.2014 г.)

41. URL: http://www.neboleem.net/polivinilovvi-spirt.php (дата обращения 16.09.2014 г.)

42. URL:http://www.precitec.de/en/products/joining-technology/processing-heads/vc52 (дата обращения 17.09.2014 г.)

43. Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник / Под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. М.: Машиностроение, 2008. 384 с.

44. Фукс И.Г., Введение в трибологию: Учебное пособие. М.: Нефть и газ, 1995. 278 с.

45. Archard J.F. Contact and rubbing of flat surfaces// Journal of Applied Physics. 1953. №24. P. 981-988.

46. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / A.B. Чичинадзе [и др.]. Под общ. ред. A.B. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. 576 с.

47. Пенкин Н.С. Основы трибологии и триботехники: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 2008. 206 с.

48. А.Г. Григорьянц, H.H. Шиганов, А.И. Мисюров Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.

49. Коломыцев П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлургия, 1979. 271 с.

50. Ткачев B.H., Фиштейн Б.М., Казинцев Н.В. Индукционная наплавка твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1970. 183 с.

51. Steen W.M., Courtney C.G.H. Hardfacing of nimonic 75 using 2 kW continuous wave C02 laser// Metals Technology. 1980. №6. P. 232-237.

52. J. S. Selvan, K. Subramanian Ti-SiC Composite and TiC Ceramic Layer Formation on Ti6A14V Surface by Laser Alloying of Pre-Placed SiC Coating// Advanced Performance Materials. 1999. V. 6. P. 71-83.

53. J. S. Selvan, K. Subramanian High-temperature thermal barrier coating formation by laser alloying of CP-Ti with pre-placed Ni-SiC coating// Journal of Materials Science. 2003. V. 38. P. 4783-4801.

54. X. B. Zhou and J. Т. M. De Hosson A reaction coating on aluminum alloys by laser processing// Scripta Metallurgica et Materialia. 1993. V. 28. P. 219-224.

55. Phase stability and interface reactions in the Al-SiC system/ D. J. Lee [et al.]// Mater. Res. Symp. Proc. 1988. V. 120. P. 293.

56. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/3ana4a Стефана (дата обращения 10.04.2014 г.)

57. R.J. Arsenault, J.С. Romero A comprasion of interfacial arrangements of SiC/AI composites// Scripta Metallurgica et Materialia. 1995. V. 32. P. 1783-1787.

58. Microstructural aspects of aluminum-silicon carbide particulate composites produced by a casting method/ D.J. Lloyd [et al.]// Materials Science and Engineering: A. 1989. V. 107. P. 73-80.

59. P.S. Grant, Т.Н. Chang, B. Cantor Spray forming of Al/SiC metal matrix composites// Journal of Microscopy. 1995. V. 177. P.337-346.

60. Laser cladding on aluminium base alloys/ M. Pilloz [et al.]// Journal de Physique IV coll.C7. 1991. V. l.p. 117.

61. L.F. Mondolfo, Aluminium Alloys: Structure and Properties. London: Butterworths scientific publications, 1976. P. 108.

62. G. Kaptay On surface properties of molten aluminum alloys of oxidized surface// Materials Science Forum. 1991. V. 77. P. 315-330.

63. G. Kaptay Method for Estimating Solid-Solid Interface Energies in Metal-Ceramic Systems: The Aluminium - Silicon Carbide System// Materials Science Forum. 1996. 215-216. P. 459.

64. G. Kaptay Method for Estimating Solid-Solid Interface Energies in Metal-Ceramic Systems: The Aluminium - Silicon Carbide System// Materials Science Forum. 1996. 215-216. P. 475.

65. L.F. Mondolfo, Aluminium Alloys: Structure and Properties. London: Butterworths scientific publications, 1976. P. 61.

66. Andrade E.N.C. A theory of the viscosity of liquids - Part I// Philosophical Magazine. 1934. V. 17. P. 698-732.

67. A.V. Grosse High-Temperature Research// Science. 1963. V. 140. P. 781-789.

68. Andrade E.N.C. A theory of the viscosity of liquids - Part II// Philosophical Magazine. 1934. V. 17. P. 497-511.

69. A. Nylund, I. Olefjord Hydration of AI2O3 and decomposition of А1(ОН)з in a vacuum as studied by ESC A// Surface and interface analysis. 1994. V. 21. P. 283289.

70. Третьяков P.C. Технологические особенности процесса лазерной модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2014. 159 с.

71. Орлик А.Г. Разработка технологии механизированной дуговой наплавки покрытия с заданным комплексом свойств, стойкого к гидроабразивному износу: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2012. 133 с.

72. Новиченко Д.Ю. Разработка и исследование процесса прямого лазерного

изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида

титана: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2011. 159 с.