Regularities of electron-ion-plasma modification of high-chromium steel.pdf Введение Сталь 20Х23Н18 широко используется для изготовления деталей и механизмов, работающих в разных сферах промышленности при температурах до 1000-1050 °С (детали камер сгорания, направляющие лопатки газовых турбин и др.), а также применяется для работ в средах с повышенной радиацией [1]. Придание дополнительных свойств стали осуществляется различными методами, одним из которых является обработка концентрированными потоками энергии (мощные ионные пучки, потоки плазмы, лучи лазера, импульсные и непрерывные электронные пучки и т.д.) [2-7]. Целью настоящей работы является анализ результатов и установление закономерностей формирования структуры и свойств стали 20Х23Н18, подвергнутой высокоскоростной термической обработке интенсивным импульсным электронным пучком микро- и субмиллисекундной длительности. Материал и методики исследования В качестве материала исследования была использована аустенитная нержавеющая сталь марки 20Х23Н18 (до 0.2 % С, 17-20 % Ni, 22-25 % Cr, до 2 % Mn, до 1 % Si, до 0.02 % S, до 0.035 % Р, остальное - Fe) [1]. Образцы имели форму пластинки с размерами 15155 мм. Обработку поверхностного слоя стали осуществляли, облучая интенсивным импульсным электронным пучком на установке «СОЛО» с электронным источником на основе импульсного дугового разряда низкого давления с сеточной стабилизацией границы катодной плазмы и открытой границей анодной плазмы [8]. Облучение осуществляли при следующих параметрах: энергия ускоренных электронов eV = 18 кэВ; плотность энергии пучка электронов ES = 20, 30 и 40 Дж/см2; длительность импульса воздействия τ = 50 и 200 мкс; количество импульсов воздействия N = 3; частота следования импульсов f = 0.3 с-1; давление остаточного газа (аргона) в рабочей камере установки ~ 0.02 Па. Исследование структуры стали в исходном состоянии и после модифицирования осуществляли методами рентгеноструктурного анализа (дифрактометр XRD 6000), оптической (Микровизор металлографический µVizo-MET-221), сканирующей (прибор SEM 515 Philips с микроанализатором EDAX ECON IV) и просвечивающей дифракционной (прибор ЭМ-125) электронной микроскопии [9-11]. Элементный состав модифицированного слоя образцов определяли методами микрорентгеноспектрального анализа [9]. Свойства модифицированного слоя характеризовали, определяя микротвердость (прибор ПМТ-3, нагрузка на индентор 0.5 Н) и износостойкость (прибор TRIBOtechnik; условие сухого трения при комнатной температуре, контртело - шарик ШХ15 диаметром 6 мм, диаметр трека 4 мм, скорость вращения образца 2.5 см/с, нагрузка на индентор 5 Н, количество оборотов 8000). Износостойкость поверхностного слоя материала рассчитывали после проведения профилометрии образовавшегося трека. Результаты исследования и их обсуждение Установлено, что сталь 20Х23Н18 в исходном состоянии является поликристаллическим материалом, средний размер зерен которого 41.5 мкм (минимальный размер зерен 11.4 мкм, максимальный 88.7 мкм) (рис. 1, а). В объеме зерен присутствует дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций или дислокационных сеток. Скалярная плотность дислокация, определенная методом случайно брошенных секущих [10], составляет ≈ 41010 см-2. Структура стали характеризуется наличием в объеме зерен микродвойников, формирующих протяженные пачки (рис. 1, б). По границам и в объеме зерен выявлены глобулярные частицы второй фазы субмикронных размеров. Частицы таких размеров, как правило, являются концентраторами полей напряжений и могут приводить при деформировании материала к зарождению трещин с последующим разрушением материала. Рис. 1. Структура стали 20Х23Н18 в состоянии перед облучением электронным пучком: а - оптическая микроскопия; б - просвечивающая электронная микроскопия Выбор режимов облучения поверхности стали интенсивным импульсным электронным пучком осуществляли на основании моделирования температурного поля, формирующегося в поверхностном слое железа при облучении электронным пучком в одноимпульсном режиме [12-15]. Задача о нахождении температурного поля в определенном диапазоне плотности энергии пучка электронов сводилась к решению уравнения теплопроводности [16]. Численное решение задачи проводили для теплофизических значений железа, взятых в [17]. Анализ полученных результатов показал, что максимальная температура прогрева поверхности железа достигается в момент окончания действия импульса. При фиксированных значениях плотности энергии максимальная температура прогрева поверхности увеличивается с уменьшением длительности импульса воздействия электронного пучка. С уменьшением длительности импульса воздействия пучка электронов двухфазная область (твердая фаза + жидкость) и область существования жидкой фазы сдвигаются в сторону низких плотностей энергии. Поверхность образца начинает плавиться при ES = = 15 Дж/см2 (τ = 50 мкс) и при ES = 34 Дж/см2 (τ = 200 мкс). При параметрах облучения ES = 20 и 30 Дж/см2, τ = 50 мкс толщина однофазного (жидкость) слоя на поверхности образца составляет 2 и 8.2 мкм, время существования расплава 12 и 47 мкс соответственно. При параметрах облучения ES = 40 Дж/см2, τ = 200 мкс толщина расплавленного слоя составляет 0.25 мкм, время существования расплава 2 мкс. Следовательно, при выбранных в настоящей работе режимах облучения поверхностный слой материала будет находиться в расплавленном состоянии. Однако толщина расплавленного слоя и время его существования значительно различаются. Электронно-пучковая обработка стали приводит, в результате высокоскоростной кристаллизации, к формированию в поверхностном слое структуры ячеистой кристаллизации (рис. 2, а). Средний размер ячеек кристаллизации изменяется в пределах от 200 до 600 нм и увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов. По границам ячеек располагаются наноразмерные (≈ 25 нм) частицы карбидной фазы, которые стабилизируют дефектную субструктуру материала (рис. 2, б, частицы указаны стрелками). Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхности (а) и поверхностного слоя (б) стали 20Х23Н18, облученной интенсивным импульсным электронным пучком (30 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп.): а - сканирующая электронная микроскопия; б - просвечивающая электронная дифракционная микроскопия. Стрелками указаны частицы второй фазы Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры приповерхностного (слой, расположенный на расстоянии 10-15 мкм от поверхности облучения) слоя стали 20Х23Н18, облученной интенсивным импульсным электронным пучком с параметрами: а - 20 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп.; б - 30 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп.; в - 40 Дж/см2, 200 мкс, 3 имп.; а-в - светлые поля; г - микроэлектронограмма к (в). Просвечивающая электронная дифракционная микроскопия Характерное изображение структуры приповерхностного (слой, расположенный на расстоянии 10-15 мкм от поверхности облучения) слоя стали 20Х23Н18, облученной интенсивным импульсным электронным пучком, приведено на рис. 3. Следуя результатам расчетов температурного поля, представленным выше, данный слой стали при облучении электронным пучком не подвергался плавлению. Особенностью структуры данного слоя является присутствие большого количества изгибных экстинкционных контуров (рис. 3), которые свидетельствуют о высоком уровне внутренних полей напряжений [18, 19]. Источниками напряжений (концентраторы напряжений) в исследуемой стали являются границы зерен, микродвойников и частиц второй фазы. Фазовый состав и состояние кристаллической решетки стали 20Х23Н18 в исходном состоянии и после облучения интенсивным импульсным электронным пучком изучали методами рентгеноструктурного анализа. Установлено, что сталь в исходном состоянии является однофазным материалам и сформирована твердым раствором на основе γ-железа (ГЦК-кристаллическая решетка). Облучение стали интенсивным импульсным электронным пучком, не изменяя фазовый состав материала, приводит к изменению параметра кристаллической решетки γ-железа, а именно: при плотности мощности пучка электронов WS = 2·105 Вт/см2 параметр кристаллической решетки стали снижается до значения a = 0.35806 нм (параметр кристаллической решетки стали в исходном состоянии a = 0.36041 нм). При увеличении плотности мощности пучка электронов параметр кристаллической решетки поверхностного слоя стали увеличивается, достигая значений a = = 0.35898 нм (WS = 4·105 Вт/см2) и a = 0.35910 нм (WS = 6·105 Вт/см2), т.е. не достигая значения параметра кристаллической решетки стали исходного состояния. Можно предположить, что уменьшение параметра кристаллической решетки стали при облучении электронным пучком обусловлено выделением частиц вторых фаз (карбиды, интерметаллиды), т.е. обеднением твердого раствора γ-железа легирующими элементами. Облучение стали 20Х23Н18 интенсивным импульсным электронным пучком сопровождается изменением механических и трибологических свойств поверхностного слоя. Показано, что износостойкость достигает максимальных значений при облучении стали электронным пучком с параметрами 30 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп. и превышает износостойкость исходного материала в 8 раз. Микротвердость модифицированной поверхности стали увеличивается примерно в 1.2 раза и достигает максимальных значений при облучении образцов электронным пучком с параметрами 20 Дж/см2, 50 мкс и 3 имп. Сопоставляя результаты трибологических испытаний с результатами, полученными при моделировании температурного поля, формирующегося в поверхностном слое железа при облучении электронным пучком, можно отметить, что максимальные значения износостойкости стали 20Х23Н18 соответствуют максимальной толщине расплавленного слоя. Выводы Осуществлена термическая обработка поверхности стали 20Х23Н18 интенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности на электронно-пучковой установке «СОЛО» с электронным источником на основе импульсного дугового разряда низкого давления с сеточной стабилизацией границы катодной плазмы и открытой границей анодной плазмы. Установлено, что обработка стали интенсивным импульсным электронным пучком приводит к формированию структуры ячеистой кристаллизации. По границам ячеек располагаются наноразмерные (≈ 25 нм) частицы карбидной фазы, которые стабилизируют дефектную субструктуру материала. Выполнены испытания и показано, что износостойкость достигает максимальных значений при облучении стали электронным пучком с параметрами 30 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп. и превышает износостойкость исходного материала в 8 раз. Микротвердость модифицированной поверхности стали увеличивается примерно в 1.2 раза и достигает максимальных значений при облучении образцов электронным пучком с параметрами 20 Дж/см2, 50 мкс и 3 имп.

Скачать электронную версию публикации