Мамонов лекции.pptx
- Количество слайдов: 53
ПАРАМЕТРЫ РАВНОВЕСИЯ СИСТЕМ. УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАТЕРИАЛОВ И СВОЙСТВАМИ ИЗДЕЛИЙ. 1
МЕСТО СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАРАБОТКИ В КЛАССИФИКАЦИИ ВИДОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ. 2
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. 1 – открытие (изобретение) 2 – основные предсказания практического применения 3 – период «застоя» 4 – медленный прогресс 5 – нарастающие масштабы применения 3
СХЕМА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКИ А – Электронная пушка; В – система управления лучом; 1 – катод, 6 – система отклонения луча, 2 – прикатодный электрод, 7 – коллектор электронов обратного 3 – анод, рассеяния, 4 – центрирующая система, 8 – электронный луч, 5 – фокусирующие линзы, 9 – деталь (образец). 4
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Р - мощность, q - удельная мощность, d - диаметр электронного луча, 1 – получение отверстий и пазов, 2 – испарение, 3 – сварка, 4 – плавка, 5 – термическая обработка 5
СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ ЗОН ОБРАБОТКИ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 1 – при «мягком» режиме нагрева; 2 – переход к жесткому режиму; 3 – кинжальное проплавление; 4 – переход к отверстию; 5 – отверстие в материале. 6
ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА d~I d~U ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 7
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА 8
СХЕМА ТРАНСФОРМАЦИИ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА В ТЕПЛО В ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ ТПЛ – температура плавления; ТО – температура поверхности; ТПР – температура превращений; ТН – начальная 9
ИЗОТЕРМЫ В ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ ДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА С ГАУССОВСКИМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ z – расстояние от поверхности, R – радиус Гауссовского распределения. 10
РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ 11
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СО ВРЕМЕНЕМ В ЗАДАННОЙ ТОЧКЕ ДЕТАЛИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ПОДАЧИ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА а) точечное действие при постоянной мощности; б) движущийся луч с Гауссовским распределением плотности мощности; в) циклическое растровое сканирование с частотой около 1 Гц и движением детали; г) поверхностно-изотермический перенос энергии. 12
ЗАВИСИМОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПРЕОБРАЗУЕМОЙ В ТЕПЛО УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ЧАСТОТЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ БЕЗ РАСПЛАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ V – скорость перемещения детали 13
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ С НАГРЕВОМ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ БЕЗ РАСПЛАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ Электронно-лучевая термическая обработка (без расплавления металла) Простые технологии ЭЛЗ ЭЛО Комбинированные технологии ЭЛРО Термические/термические процессы СЗ/ЭЛЗ СЗ/ЭЛО Химико-термические/термические процессы ЭЛЗ/СО ХТО/ЭЛЗ ЭЛЗ/ЭЛО Термомеханические/термические процессы ХТО/ЭЛО ТМО/ЭЛЗ ТМО/ЭЛРО ЭЛЗ/ЭЛЗ - электронно-лучевая закалка ЭЛО - электронно-лучевой отпуск ЭЛРО - электронно-лучевой рекристаллизационный отжиг СЗ – стандартная зкалка СО – стандартный отжиг ХТО – химико-термическая обработка ТМО – термомеханическая обработка 14
ПРИМЕРЫ КОНФИГУРАЦИЙ ОБРАБОТАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ СЛОЕВ Продольный вид вдоль направления движения детали 15
ЗАВИСИМОСТЬ ГЛУБИНЫ ЗАКАЛКИ С НАГРЕВОМ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ ОТ ЕГО УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПОВЕРХНОСТИ Тпл>Т 01>Т 02>Т 03>Ас3 16
Распределение твердости по поверхности сталей 55 Cr 1 (0, 51%С, 0, 26%Cr) и С 100 W (0, 97%С, 0, 11; Cr) в направлении, перпендикулярном перемещению образца, после закалки с нагревом электронным лучом по способу двухмерного высокочастотного сканирования исходная обработка: сталь 55 Cr 1 – нормализация (1) сталь С 100 W – закалка + отпуск (2) 17
РЕЖИМЫ ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВА ВТ 6 РАСФОКУСИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ 18
ПРИМЕНЕНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РАСФОКУСИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ 19
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ С НАГРЕВОМ ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ С РАСПЛАВЛЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 20
СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ПУЧКОМ а – с использованием интегральной оптики; б – с использованием осциллирующих зеркал; 1 – лазерный луч, 2 – поворотное зеркало (под углом 45 к лучу), 3 – фокусирующее зеркало из сегментов, 4 – фокусирующее зеркало, 5 – осциллирующее зеркало, 6 – образец, 7 – термообработанный участок; стрелкой указано направление перемещения образца 21
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАДАЮЩЕЙ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ (а) И ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ ОПТИКИ (б) 1 – профиль распределения мощности, 2 – разделенные интегральным зеркалом пучки, 3 – падающий осциллирующий пучок, 4 – образец 22
СХЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ а – импульсно-периодическое излучение; б – непрерывное излучение со сканированием; в – непрерывное излучение 23
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, РАЗВИВАЮЩИЕСЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 24
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИ ЛАЗЕРНМ ВОЗДЕЙСТВИИ 25
КЛАССИФИКАЦИОННАЯ ДИАГРАММА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ-ВРЕМЕННЫМ ПАРАМЕТРАМ Е – плотность мощности, - длительность воздействия 26
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 27
ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ ПО ГЛУБИНЕ ЗЛВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ОТ 4 ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ 1 – импульсным излучением в среде гелия; 2 – непрерывным излучением в среде азота; 3 - повторная обработка непрерывным излучением в струе гелия после азотирования 28
СХЕМА ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ А – пучок имплантируемых ионов О – образец (деталь) РА – рассеянные атомы 29
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ 1 – рабочая камера, 2 – обрабатываемая деталь, 3 – источник питания, 4 – электронный потенциометр, 5 – термопара, 6 – образец для измерения температуры, 7 – вакуумный насос, 8 – ротаметр, 9 – баллоны с азотом и водородом, 10 – цеолит, 11 – медная стружка, 12 – вакуумный датчик 30
ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ АНОДА И КАТОДА ПРИ ИОННОМ АЗОТИРОВАНИИ СТАЛИ 31
Изменение микротвердости по глубине диффузионного слоя после ионного (1) и печного (2) азотирования стали 38 Х 2 МЮА при температуре 500 С Продолжительность: 12 ч – ионное азотирование, 45 ч – печное азотирование 32
ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ФАЗОВЫМ СОСТАВОМ И СТРУКТУРОЙ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ 33
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОЛИМОРФИЗМ ТИТАНА I. -стабилизаторы Al, Ga, In, C, N, O II. –стабилизаторы эвтектоидообразующие изоморфные Fe, Cr, Mn, Cu, Si V, Mo, Nb, Ta III. Нейтральные упрочнители Zr, Sn, Ge, Hf 34
СТРУКТУРА ЗАКАЛЕННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Класс сплава a псевдо–α a+β псевдо–β β 0 0, 25 0, 3 - 1 1 -2 > 2, 5 35
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ 36
ВОДОРОД КАК ВРЕДНАЯ ПРИМЕСЬ И ПОЛЕЗНЫЙ ЛЕГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Водород – постоянный легирующий элемент: 1) Сверхпроводники Ti-Nb-H 2) Сплавы – накопители водорода (гидриды) 3) Сплавы с ЭЗФ 4) Порошковые материалы 37
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Ti И ЕГО СПЛАВОВ С ВОДОРОДОМ Равновесное давление (уравнение Бореллиуса) КДж/моль Растворимость водорода (уравнение Сивертса) при Т=const Диффузия водорода (теория Зинера-Эйнштейна) где Q-энергия активации диффузии d – ГЦК (Ti. Hx) g – ГЦТ e - ГЦТ - глубина распространения фронта водорода - растворимость в фазах ~ 75 при 20 OC, ~ 2 при 1000 OC 38
КИНЕТИКА ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ Титан Сплав Ti - 6 Al - 4 V 39
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ СИВЕРТСА 40
ТЕРМОГРАММЫ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ НАСЫЩЕНИЯ ВОДОРОДОМ МЕТОДОМ СИВЕРТСА 41
ТЕРМОВОДОРОДНАЯ ОБРАБОТКА – ОСНОВА ВОДОРОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 42
ТЕРМОВОДОРОДНАЯ ОБРАБОТКА – ОСНОВА ВОДОРОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ЕГО ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ Повышение технологических свойств сплавов Водородное пластифицирование Механоводородная обработка Термоводородная обработка Оптимизация структуры Повышение эксплуатационных свойств промышленных сплавов Механические свойства Диффузионное соединение Термическая стабильность жаропрочных псевдо- сплавов Процессы компактирования гранул, порошков, стружки Триботехнические свойства конструкционных сплавов Создание новых сплавов и технологий их обработки Высокожаропрочные сплавы на основе Ti 3 Al ( 2 - и + 2 сплавы) Конструкционные сплавы с интерметаллидным упрочнением ( + +Ti. XCr. Y) Сверхпроводники (Ti-Nb-H) 43
ТЕМПЕРАТУРНО-КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО СОСТАВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВОДОРОДОМ Ti-6242 ВТ 18 У ВT 5 ВT 25 У 44
ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО СОСТАВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВОДОРОДОМ, ПРИ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ by weight 45
ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ Понижение температуры ( + )/ - перехода и увеличение количества -фазы Повышение стабильности -фазы, снижение характеристических температур мартенситных превращений Неравномерное распределение водорода между - и -фазами, вызывающее перераспределение легирующих элементов замещения между ними Изменение объемных эффектов фазовых превращений Существенное различие коэффициентов диффузии водорода и основных легирующих элементов 46
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ФАЗ И ДИФФУЗИЮ ОСНОВНЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВТ 18 У, t=650 С -фаза ВТ 6, t=1000 С 47
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ОБЪЕМНЫЙ ЭФФЕКТ ПРЕВРАЩЕНИЯ t=20 С VT 18 U VT 23 48
ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ HA – наводороживающий отжиг VA – вакуумный отжиг 49
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ФАСОННЫХ ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВА ВТ 20 Л 10 мкм 50
ВОДОРОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЙ МИКРО- И СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТАХ И ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Наводороживание заготовок А Горячая или теплая деформация (изотермическая штамповка, прокатка и т. д. ) Вакуумный отжиг ТВО ВП ТВО Показатели эффективности обработки: Снижение температур деформации: на 100 -150 ОС Повышение прочностных характеристик при нормальной и рабочей температурах без снижения пластичности и длительной прочности: на 10 -15% Повышение предела выносливости лопаток: на 16% Повышение технологических свойств – штамповка в режиме сверхпластичности B 10 мкм 0, 3 мкм Повышение усталостной и кратковременной прочности - и + сплавов 51
СОЗДАНИЕ НОВЫХ ВЫСОКОЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Ti 3 Al Сплав 7115 (Ti-14 Al-3 Nb-3 V-0, 5 Zr) – разработан в «МАТИ» -РГТУ им. К. Э. Циолковского, патент РФ № 2081929 q Физико-химические характеристики сплавов на основе Ti 3 Al Удельная прочность, МПа х см 3/г 20 ОС 650 ОС Удельный модуль Относит. упругости E/d, МПа удлинение х см 3/г ОС, % при 20 20 ОС 650 ОС Сплав Содерж. Nb, % масс. Плотность d, г/см 3 Ti 3 Al - 4, 27 - - - 35500 27000 20 -22 4, 7 160 -220 135 -160 2 -6 25100 21600 3 -4 4, 3 280 -310 180 2 -3, 5 32500 24600 Супер – 2, США 7115 (ТВО), Россия q Водородная технология производства полуфабрикатов и изделий (лопаток компрессора) из сплава 7115: сочетание ТВО с водородным пластифицированием. Выдавливание заготовок лопаток Усилие выдавливания 52
СТРУКТУРА МАТЕРИАЛОВ КОМПОНЕНТОВ ЭНДОПРОТЕЗА ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА ПОСЛЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ И ИОННО-ВАКУУМНОГО АЗОТИРОВАНИЯ 53


