Structural-phase state of multicomponent surfacing obtained by pulsed argon tungsten arc remelting.pdf Создание на поверхности металлов и сплавов наплавок необходимого состава является одним из эффективных направлений повышения эксплуатационных свойств получаемых изделий [1-6]. В отличие от технологий синтеза тонких пленок и покрытий, создающих границу раздела между подложкой и осаждаемым материалом, получаемая наплавка может быть сформирована в виде градиентного интерфейса, в котором структурно-фазовое состояние изменяется плавным образом. Одним из ключевых вопросов при этом является перемешивание в процессе переплавки наплавляемого материала и подложки. В работе представлены особенности структурно-фазового состояния и микротвердости многокомпонентной наплавки в результате переплавления порошковой смеси и подложки. Использована неэквиатомная смесь порошков (6.54W-6.64Ta-12.52Mo-12.93Nb-13.17Zr-23.11Cr- 25.09Ti, ат. %), все компоненты которой взяты в равных весовых долях. Механическая активация продолжительностью 10.5 мин проведена с использованием энергонапряженных планетарных шаровых мельниц АГО-2. Метод обработки и особенности структурно-фазового состояния формирующегося прекурсора представлены в работах [7, 8]. Далее прекурсор помещался в медную трубку диаметром 5 мм при толщине стенки 0.3 мм. В качестве подложки использовалась сталь 3 (Ст3сп, ГОСТ 380-2005). В процессе переплавки реализован импульсный режим, обеспечивающий динамический характер горения дуги: амплитуда импульсов при этом составляла 350 А, длительность - 70 мкс, частота - 2000 Гц. Образование защитной атмосферы обеспечивается за счет непрерывной подачи аргона в область формирования дуги. Геометрия «сварочной ванны» способствовала полной переплавке подложки с многокомпонентным прекурсором в медной трубке. Исследование микроструктуры и анализ химического состава (энергодисперсионный (EDX)) наплавки проведены с использованием сканирующего электронного микроскопа Tescan Vega 3 SBH (30 кВ). Рентгеноструктурный анализ (РСА) выполнен на рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD 6000, излучение CuKα. Микротвердость (Hit) определена методом Оливера-Фарра на приборе CSM Instruments TTX-NHT2 (пирамидка Берковича). Скорость нагрузки и разгрузки индентора составляла 0.06 H/мин. Время выдержки под максимальной нагрузкой (0.03 Н) - 15 с. На рис. 1, а представлено обзорное электронно-микроскопическое изображение наплавки и подложки в торцевом сечении. Как видно, при полном проплавлении ширина ванны в подложке менялась от 6 мм со стороны наплавки до 4 мм на нижней поверхности подложки. Установлено, что для полученной наплавки характерно формирование во всем объеме материала дендритной структуры (рис. 1, б). При этом выявлено два основных морфологических типа структурного состояния (области 1 и 2), которые, не имея между собой четкой границы раздела, плавным образом переходят из одного в другой. Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение многокомпонентной наплавки в Z-контрасте Отличительной чертой первого типа (область 1) является наличие ветвящихся и расходящихся в стороны крупных дендритов, которые в Z-контрасте имеют белый цвет (рис. 1, б). Отдельные элементы и их объединения характеризуются шириной от 4 до 10 мкм, в то время как в длину их размеры составляют от 10 до 100 мкм. В областях со вторым типом морфологии ветвящаяся дендритная структура полностью отсутствует (область 2), при этом структурные элементы белого цвета имеют почти равноосную форму, а их размеры изменяются в интервале от 1 до 10 мкм. Сопоставление данных РСА, электронно-микроскопических изображений в Z-контрасте и соответствующих профилей распределения химических элементов позволило установить, что перемежающиеся между собой участки белого, серого и черного цветов (соответственно I, II, III на рис. 1, в) различаются элементным составов. Основным элементом областей белого и серого цветов является Fe. Для областей белого цвета характерно наличие всех тугоплавких элементов из прекурсора на фоне низкого содержания меди (Fe50-52Cu2-4W5-6Ta5-6Mo6-7Nb8-10Zr1-2Cr11-12Ti6-7). Удалось определить, что данная фаза является твердым раствором замещения на основе Fe (a ≈ 2.89 Å) и имеет ОЦК-решетку (229, Im-3m). Серые области не содержат в своем составе (Fe58-62Cu7-12Mo2-3Nb1-2Zr4-7Cr9-11Ti9-14) W и Ta, а Mo и Nb представлены в меньших концентрациях. Кроме того, при неизменном содержании Cr для этих областей характерны более высокие, по сравнению с белыми областями, концентрации Cu, Zr и Ti. В результате анализа установлено, что серые участки являются ГПУ-модификацией (194, P63/mmc) фазы Лавеса типа FeTiZr с параметрами кристаллической решетки a = 4.82 Å и c = 7.86 Å. Темные области с преимущественным содержанием Cu (Fe5-10Cu82-92Zr1-3Cr1-2Ti1-3) характеризуются полным отсутствием тугоплавких элементов W, Ta, Mo и Nb, а концентрации Zr, Cr и Ti варьируются в интервале от 1 до 3 ат. %. Эти области являются твердым раствором замещения на основе Cu (225, Fm-3m), ГЦК-решетка которого имеет параметры a ≈ 3.62 Å. Сопоставление результатов измерения микротвердости с особенностями расположения отпечатков позволило определить значения Hit в зависимости от фазового состава полученного материала. В белых областях, с максимальной концентрацией тугоплавких элементов, Hit достигает 13.0-15.8 ГПа. Имеющие серый окрас участки с фазой Лавеса характеризуются Hit в интервале от 9.0 до 13.0 ГПа. В черных областях, с высоким содержанием Cu, наблюдаются наименьшие значения Hit = 3.7-5.6 ГПа. Полученные в работе экспериментальные результаты свидетельствуют о высокой неоднородности структурно-фазового состояния получаемого материала. В соответствии с принципом Кавальери [9] относительное содержание какой-либо фазы в единице объема материала и в единице площади шлифа (сечения) должно быть одним и тем же. Анализ электронно-микроскопических изображений позволил установить, что объемная доля наиболее прочной ОЦК-фазы в областях со структурным типом 1 составляет около 35-38%, в то время как в областях со структурным типом 2 объемная доля этой фазы составляет от 50 до 55%. При этом необходимо учитывать, что интегральные характеристики прочности материала определяются вкладом всех трех основных фаз. Структурные исследования проведены с использованием оборудования ТРЦКП ТГУ.

Скачать электронную версию публикации