Heat transfer in surface layer of T15K6 heterogeneous hard alloy as a result of pulsed high-energy irradiation.pdf Введение Воздействие концентрированных потоков энергии (КПЭ) в виде пучков заряженных частиц и потоков плазмы на поверхностные слои спеченных твердых сплавов на основе карбидов переходных тугоплавких металлов (Ti, W) позволяет значительно модифицировать их микроструктуру, фазовый и элементный составы и, как следствие, повысить механические характеристики приповерхностного слоя, в частности, микротвердость и износостойкость [1-8]. При взаимодействии высокоэнергетического потока с поверхностью обрабатываемого материала происходит трансформация кинетической, радиационной и других видов энергии самого пучка в тепловую энергию, сообщаемую непосредственно приповерхностному слою. Именно эта часть передаваемой энергии, а также характер ее «ввода» в приповерхностный слой вносят основной вклад в последовательность структурно-фазовых превращений, происходящих в нем. В зависимости от величины поглощенной энергии возможно осуществление процессов плавления компонентов твердого сплава, а также их испарение, которые определяют результирующее структурное состояние модифицированного слоя после охлаждения материала до исходной температуры. Предварительное моделирование пространственного распределения температуры в приповерхностном слое твердого сплава в результате воздействия на него КПЭ позволит более точно спрогнозировать результаты эксперимента, тем самым выявить оптимальные режимы обработки материалов для той или иной задачи. Таким образом, большой практический и научный интерес при решении данной проблемы представляет математическое моделирование, которое затруднено ввиду неоднородности фазового состава твердого сплава, требующей учета изменения теплофизических параметров в каждой точке. Так, в [9] твердый сплав рассматривался как однородный изотропный материал, а характеризующие его теплофизические характеристики рассчитывались путем аддитивного вклада каждого его компонента. Такая модель не учитывает гетерогенности твердого сплава, которая играет важную роль в тепловых процессах, происходящих в твердом сплаве. В частности, такой подход не позволяет выявить формирование многослойных структур, в которых имеет место полное либо частичное плавление компонентов твердого сплава. В исследовании [9] была предпринята попытка учесть неоднородный состав твердого сплава путем задания его в виде двумерной системы, составленной из случайно распределенных областей, представляющих собой компоненты твердого сплава: WC, TiC, Co с сохранением относительной доли каждого компонента. Данный подход продемонстрировал хорошее согласование с экспериментом. Еще одной попыткой учета гетерогенности твердого сплава было представление его как совокупности сферических частиц с определенной объемной долей, находящихся в металлической связке [10]. При этом предполагалось, что в результате высокоэнергетического воздействия на поверхности происходит плавление исключительно связующего материала. В настоящей работе предлагается провести математическое моделирование пространственного распределения температуры в твердом сплаве Т15К6 после высокоэнергетического пучкового воздействия при учете неоднородности его состава введением соответствующих непрерывных периодических функций. Данные сопоставлялись с экспериментальными результатами, полученными при воздействии низкоэнергетических высокоинтенсивных импульсных электронных пучков, которые позволяют исключить влияние материальных носителей пучка (например, ионов в ионных пучках или потоках плазмы) на происходящие структурные трансформации и выявить лишь роль теплового фактора обработки. Методика эксперимента и компьютерного моделирования. Объектом исследований являлся твердый сплав Т15К6 (WC - 15TiC - 6Co, вес. %). Для моделирования пространственного распределения температуры в результате воздействия КПЭ решалось одномерное уравнение теплопроводности с соответствующими начальными и граничными условиями [1]. Распределение энергии в материале определялось поверхностным источником тепла, так как максимальное энерговыделение в случае воздействия низкоэнергетическим электронным пучком (энергия электронов 20 кэВ) происходит в слое глубиной 100-200 нм. Указанные глубины намного меньше глубины модифицированных слоев. Уравнение теплопроводности решалось численно по неявной разностной схеме с использованием метода прогонки. Для учета гетерогенности твердого сплава его одномерную модель можно представить как чередование карбидных частиц TiC и WC с идеальным контактом между ними. Для решения одномерного уравнения теплопроводности с целью выявления распределения температуры по глубине коэффициент теплопроводности (k), теплоемкость (с) и плотность () всего сплава представлялись в виде следующей периодической гладкой функции, зависящей от координаты: , где f(x) = c(x), k(x), (x), f1 и f2 - значения теплоемкости, теплопроводности и плотности для фаз TiC и WC соответственно; d - размер частиц карбидов (2 мкм). Такой вид функции теплофизических характеристик предполагает равномерное распределение частиц по всему объему сплава. Результаты компьютерного моделирования сравнивались с экcпериментальными данными, полученными при исследовании образцов твердого сплава после воздействия на него высокоинтенсивных электронных пучков. Обработка образцов проводилась пятью импульсами с частотой следования 0.3 Гц при энергии ускоренных электронов 20 кэВ. Плотность поглощенной энергии варьировалась от 30 до 80 Дж/см2. Длительность импульса составляла 100 мкс. Площадь однородной обработки электронным пучком превышала размер образцов. Микроструктура поперечных шлифов образцов изучалась методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) (прибор в режиме отраженных электронов). Рентгеноструктурный анализ (РСА) образцов проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4 с применением медного излучения. Результаты компьютерного моделирования и сравнение их с экспериментальными данными Как правило, максимальная температура на поверхности твердого сплава достигается в конце импульса, т.е. в момент времени 100 мкс после начала воздействия (рис. 1). Согласно полученным результатам при увеличении плотности поглощенной энергии от 10 до 80 Дж/см2 максимальная температура поверхности возрастает от 700 до 4000 °С. Температуры плавления компонентов системы WC и (Ti, W)C составляют 2873 и 3273 К соответственно [9]. Вследствие этого в приповерхностном слое твердого сплава возможно формирование областей полного плавления, в которых достигается температура плавления его самого тугоплавкого компонента - твердого раствора (Ti, W)C, а также области частичного плавления, в которой имеет место плавление частиц WC при сохранении кристаллического состояния в частицах (Ti, W)C. Согласно результатам компьютерного моделирования полное плавление поверхностных слоев твердого сплава происходит при воздействии электронного пучка с плотностями поглощенной энергии более 50 Дж/см2. Помимо этого также происходит образование переходной области, в которой плавится исключительно кобальтовая связка. Наличие такой области является принципиально важной с точки зрения эксплуатационных свойств модифицированного слоя. Действительно, расплавленная кобальтовая связка, находясь в жидком состоянии, заполняет пространство между спеченными частицами, которое характеризуется повышенной пористостью. Это обеспечивает лучший тепловой контакт между частицами при многоимпульсном воздействии, приводя к увеличению глубины проплавленного слоя. Более того, снижение пористости в этом слое позволяет избежать возникновения высоких сдвиговых напряжений при механических воздействиях и повысить адгезионную прочность модифицированного слоя и нерасплавленной части сплава. Рис. 1. Временное (а) и пространственное (б) распределение температур в твердом сплаве Т15К6 после воздействия на него концентрированными потоками энергии, полученное путем компьютерного моделирования с учетом гетерогенности материала Так как увеличение плотности поглощенной энергии осуществляется при постоянной длительности импульса, происходит увеличение скорости нагрева приповерхностного слоя от 0.4•107 К/с (при плотности поглощенной энергии 10 Дж/см2) до 3.5•107 К/с (при плотности поглощенной энергии 80 Дж/см2). При охлаждении расплава после окончания действия импульса скорость охлаждения также определяется величиной плотности поглощенной энергии. Так, ввиду интенсивного отвода тепловой энергии на объем нерасплавленной части твердого сплава скорость охлаждения составляет 0.2•107 К/с (при плотности поглощенной энергии 10 Дж/см2) и увеличивается до 1.6•107 К/с (при плотности поглощенной энергии 80 Дж/см2). Увеличение скорости охлаждения расплава в данном случае является результатом достижения более высокой температуры на поверхности. Экспериментальным параметром, определяющим согласование полученных результатов математического моделирования, может служить глубина расплавленного слоя, которая легко определяется при изучении микроструктуры модифицированного слоя с помощью растровой электронной микроскопии. Так, согласно данным РЭМ-исследований поперечного шлифа образцов, после воздействия высокоинтенсивных электронных пучков с плотностью поглощенной энергии 30 Дж/см2 внутренняя структура твердого сплава становится подобна структуре в исходном состоянии (рис. 2, а). Как можно заметить, частицы карбида WC сохраняют ограненную форму, приобретенную ими в результате спекания. Это может служить свидетельством того, что температура твердого сплава после электронного воздействия с указанной плотностью энергии не достигает температуры плавления ни одного из компонентов твердого сплава. После воздействия электронным пучком с плотностями энергии 50-80 Дж/см2 наблюдается плавление поверхностных слоев твердого сплава (рис. 2, б, в), причем с повышением плотности энергии глубина проплавленного слоя увеличивается. Микроструктура переплавленного слоя, как можно заметить, изменяется по глубине (рис. 3). Характерной особенностью внешнего переплавленного слоя является формирование вытянутых в перпендикулярном к поверхности направлении столбчатых зерен, состоящих преимущественно из твердого раствора (Ti, W)C, о чем позволяет судить их светло-серый контраст на РЭМ-изображении. Поперечный размер зерен составляет ~ 0.3 мкм. Толщина указанного слоя возрастает с увеличением плотности энергии электронного пучка от 3 мкм (50 Дж/см2) до 8 мкм (80 Дж/см2). При этом структура рассматриваемого слоя становится более выраженной. Рис. 2. РЭМ-изображения поперечных шлифов твердого сплава после воздействия на него сильноточными электронными пучками с плотностями энергии 30 (а), 50 (б) и 60 Дж/см2 (в) В нижележащем слое зерна становятся более равноосными, их размер увеличивается до 1 мкм. Зерна в данном слое также образованы пересыщенным твердым раствором (Ti, W)C. Глубина этого слоя также возрастает с увеличением плотности поглощенной энергии от 2 мкм (50 Дж/см2) до 6 мкм (80 Дж/см2). Стоит отметить, что верхний слой на РЭМ-изображении имеет более светлый элементный контраст по сравнению с нижележащим, это говорит о большем содержании в нем вольфрама как более тяжелого элемента. При этом наблюдается четкая граница между слоями 1 и 2. Рис. 3. РЭМ-изображение поперечного сечения твердого сплава Т15К6 после воздействия сильноточными электронными пучками в режиме 80 Дж/см2, 100 мкс, 5 имп. Механизм формирования описанных слоев может заключаться в следующем. В результате компьютерного моделирования воздействия высокоэнергетического потока на твердый сплав температура на поверхности достигает значения, достаточного для полного плавления компонентов твердого сплава. В нижележащем слое, как можно заметить на РЭМ-изображении, произошло полное расплавление карбидов вольфрама с последующим формированием более мелких частиц твердого раствора (Ti, W)C и карбида W2C. Крупные же частицы (Ti, W)C частично плавятся и остаются в расплаве, являясь преимущественными центрами кристаллизации твердого раствора. Кристаллизация расплава происходит за счет отвода теплоты в объем материала. Далее, когда температура на границе слоя 1 и слоя 2 достигает значения, достаточного для затвердевания обогащенного вольфрамом расплава, начинается кристаллизация внешнего слоя. Формируется более мелкозернистая структура слоя, зерна которого вытянуты по направлению преимущественного теплоотвода. Глубины проплавления твердого сплава, полученные экспериментальным и расчетным методами, изменяются в диапазоне 5-15 и 5-13 мкм соответственно. О степени теплового действия импульсного высокоэнергетического облучения можно судить и по изменению фазового состава поверхностного слоя твердого сплава. Согласно результатам РСА, фазовыми составляющими твердого сплава до воздействия высокоинтенсивными импульсными электронными пучками являются карбиды (Ti, W)C и WC, что соответствует фазовой диаграмме состояния системы TiC-WC [11], а также кобальтовая связка. Для исследуемого твердого сплава Т15К6 коэффициент линейного поглощения рентгеновских лучей составляет 1874 см-1. В силу этого глубина анализируемого слоя составляла около 5 мкм. Методом РЭМ было показано, что глубина поверхностного слоя твердого сплава, модифицированного высокоинтенсивными импульсными электронными пучками, превышала 5 мкм (рис. 3, б, в), следовательно, при проведении РСА анализировался исключительно модифицированный слой твердого сплава. Обработка импульсами высокоинтенсивных электронных пучков с плотностью энергии до 50 Дж/см2 не приводит к видимым изменениям фазового состава твердого сплава, так как температуры плавления его фазовых составляющих не достигаются (рис. 4, дифрактограмма 1). Увеличение плотности поглощенной энергии высокоинтенсивных импульсных электронных пучков более 50 Дж/см2 (рис. 4, дифрактограммы 2 и 3) обеспечивает нагрев поверхностных слоев твердого сплава до температур, превышающих температуру плавления всех компонентов системы. Это объясняет резкое исчезновение на дифрактограммах образцов рефлексов, соответствующих WC. Вследствие плавления и добавочного растворения WC в (Ti, W)C, а также кристаллизации с высокими скоростями формируется пересыщенный вольфрамом твердый раствор (Ti, W)C. Рис. 4. Фазовый состав поверхностных слоев твердого сплава, обработанного импульсами высокоинтенсивных электронных пучков: 1 - исходный, 2 - 50 Дж/см2, 3 - 80 Дж/см2 Наряду с исчезновением дифракционных рефлексов WC в интервале углов 2θ = 39.5-39.7 появляется дифракционный максимум, соответствующий высокотемпературной модификации карбида вольфрама W2C, выделение которого вследствие сверхбыстрого охлаждения приповерхностных слоев твердого сплава после воздействия высокоинтенсивными импульсными электронными пучками обусловлено большими скоростями его зародышеобразования и роста по сравнению с WC [12]. Увеличение подвижности атомов элементов твердого сплава при повышении его температуры и насыщения ими кобальтовой связки приводит к выделению Со-содержащей интерметаллической фазы Co2Ti после воздействия высокоинтенсивными импульсными электронными пучками с плотностью поглощенной энергии 50 Дж/см2. По-видимому, облучение с более высокими плотностями энергии вызывает нагрев поверхностных слоев твердого сплава до температур, при которых происходит интенсивное испарение кобальтовой связки. При детальном изучении на дифрактограммах образцов в интервале углов 2θ = 28.7-28.9 и 2θ = 37.6-37.8 были обнаружены одиночные дифракционные линии малой интенсивности, которые могут соответствовать Со-содержащим фазам Сo3W9C4 и Со2С. Заключение Таким образом, проведено численное моделирование пространственного распределения температуры в приповерхностном слое композиционного карбидосодержащего спеченного твердого сплава Т15К6 при воздействии на него высокоэнергетическим потоком. Моделирование проводилось на основе решения одномерного уравнения теплопроводности с учетом гетерогенности структурного состояния твердого сплава в виде непрерывных зависимостей теплофизических характеристик от координат. Полученные результаты позволили выявить формирование многослойной структуры в твердом сплаве, характеризующейся полным и частичным плавлением компонентов. Показано, что результаты, полученные методами численного моделирования, хорошо согласуются с экспериментальными результатами, выявленными при анализе приповерхностных слоев сплава Т15К6, подвергнутого облучению высокоинтенсивным импульсным пучком низкоэнергетических электронов. Обнаружено, что воздействие импульсами низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плотностью энергии (50-80 Дж/см2) на твердый сплав Т15К6 приводит к формированию пересыщенного вольфрамом твердого раствора (Ti, W)C, трансформации WCW2C, а также образованию фаз двухкомпонентного (Со2Ti, Co2C) и трехкомпонентного (Co3W9C4) составов.

Скачать электронную версию публикации