Electron-ion-plasma modification of MA-2 magnesium alloy surface for formation of layers with improved mechanical proper.pdf Введение Магниевые сплавы широко используются в различных отраслях промышленности благодаря низкой плотности, высокой удельной прочности, а также простоте и технологичности их механической обработки. Однако магниевые сплавы имеют невысокую твердость, низкую коррозионную и износостойкость [1-4]. Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Для улучшения коррозионной стойкости магния и его сплавов обычно используются легирующие добавки марганца, циркония, цинка, титана в количестве нескольких десятых процента [5, 6]. Прочность его сплавов при соответствующем легировании и термической обработке может достигать 350-400 МПа [7, 8]. Алюминий является одним из основных упрочняющих легирующих элементов в магниевых сплавах. Кроме того, термическая обработка магниевых и алюминиевых сплавов имеет много общего. Это объясняется близкими температурами плавления и отсутствием полиморфных превращений. Прочностные характеристики магниевых сплавов существенно повышаются при термомеханической обработке, состоящей в пластической деформации закаленного сплава перед его старением. Кроме традиционных методов упрочнения магниевых сплавов используются различные методы модификации поверхности, включающие нанесение твердых и износостойких покрытий, ионную имплантацию и т.д. [9-13]. При этом большое внимание при модифицировании поверхности магниевых сплавов уделяется формированию пространственно-расширенного интерфейса между подложкой и покрытием. Особенно актуальна проблема создания относительно толстых градиентных слоев на поверхности мягких материалов, к которым относятся магниевые сплавы. При наличии слоев, обеспечивающих повышение твердости поверхности изделия из магниевого сплава примерно на порядок, до уровня конструкционных сталей, износостойкости, инертности к растворам солей и других свойств поверхности, мог бы быть решен ряд проблем в соответствующих отраслях производства. В данной работе проводили исследования влияния режимов комбинированной обработки, заключающейся в формировании поверхностного сплава путем напыления покрытия и последующего плавления системы «покрытие/подложка» импульсным электронным пучком, на фазовый состав, твердость и износостойкость магниевого сплава марки МА-2. Экспериментальные установки, материал и методики исследования Синтез поверхностного сплава осуществляли следующим образом. На поверхность плоских образцов размером 15×15×5 мм из магниевого сплава МА-2 (94.5-96.7% Mg, до 0.05% Fe, до 0.1% Si, 0.15-0.5% Mn, до 0.005% Ni, 3-4% Al, до 0.05% Cu, до 0.002% Be, 0.2-0.8% Zn) методом вакуумного-дугового ионно-плазменного осаждения наносили алюминиевое покрытие толщиной 1 мкм. В качестве материала катода использовался алюминиевый сплав A7 (от 99.7% Al, до 0.16% Fe, до 0.15% Si, до 0.03% Mn, до 0.01% Ti, до 0.01% Cu, до 0.02% Mg, до 0.04% Zn, до 0.03% Ga). Оптимальная толщина напыляемого покрытия была определена экспериментально в результате предварительных исследований. В процессе напыления покрытия температура подложки не превышала 140 °С для того, чтобы исключить ухудшения прочностных свойств магниевого сплава в результате отжига. Для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой перед напылением производилась очистка поверхности образцов в аргоновой плазме, генерируемой источником с накаленным катодом «ПИНК» [14]. Кроме этого, «ПИНК» использовался для плазменного ассистирования в процессе напыления металлического покрытия. Для генерации импульсного электронного пучка использовался электронный источник с плазменным катодом с сеточной стабилизацией катодной границы плазмы, который уже более десяти лет успешно применяется для модификации поверхности различных материалов и изделий [15]. Использование плазменного катода для генерации импульсного электронного пучка позволяет плавно и независимо друг от друга изменять основные параметры генерации пучка: ток пучка (20-300 А); энергия электронов (5-25 кэВ); длительность импульсов (20-200 мкс); частота следования импульсов (0.3-15 Гц); плотность энергии в импульсе (1-100 Дж/см2). Данный электронный источник входит в состав вакуумной электронно-пучковой установки «СОЛО» [16]. Для перемещения образцов внутри вакуумной камеры использовался двухкоординатный манипулятор с размерами области сканирования 180×165 мм. Автоматизация процессов управления и облучения обеспечивает достаточную повторяемость результатов электронно-пучковой обработки и уменьшает влияние человеческого фактора. Весь процесс электронно-пучковой обработки происходил в вакууме при давлении (2-5)•10-2 Па (Ar). В процессе облучения поверхности системы «покрытие/подложка» варьировались следующие параметры: плотность энергии в импульсе 3-12 Дж/см2, длительность импульсов 50-200 мкс, количество импульсов 3-15. Для предотвращения перегрева образцов в процессе облучения стол манипулятора, на котором располагались образцы, охлаждался проточной водой. Воздействие импульсного электронного пучка на систему приводило к жидкофазному перемешиванию материалов покрытия и подложки. Для определения оптимальных режимов модификации поверхности магниевого сплава был проведен комплекс исследований структуры, фазового состава и механических свойств поверхности образцов до и после комбинированной обработки. Исследование морфологии поверхности модифицированного сплава выполнялось методами сканирующей электронной микроскопии (Philips SEM-515). Элементный состав образцов изучали с помощью рентгеновского микроанализатора EDAX Genesis XM 260, встроенного в растровый электронный микроскоп SEM-515 «Philips». Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре Shimadzu XRD в излучение CuK . Микротвердость поверхности образцов HV определяли с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 0.2 Н не менее чем в 10 точках на разных участках поверхности. Триботехнические испытания проводили в условиях сухого трения при возвратно-поступательном перемещении образца относительно контртела. В качестве контртела использовали шарик из твердого сплава ВК8 диаметром 6 мм. Скорость перемещения образца в процессе испытания составляла 25 мм/с при амплитуде возвратно-поступательного движения 5 мм. Нагрузка на шарик составляла 1 Н, путь трения - 20 м. Проводились сравнительные испытания на износостойкость образцов магниевого сплава в исходном состоянии и после комбинированной обработки. Измерение температуры поверхности образцов при импульсном нагреве Перед облучением образцов были проведены эксперименты по измерению температуры их поверхности в процессе импульсного электронно-пучкового воздействия. Эти измерения требовались для определения оптимальных режимов облучения при формировании поверхностного сплава Al-Mg. Температуры плавления сплавов очень близки и лежат в диапазоне 600-650 °С. Однако температуры кипения сильно различаются (1090 °С для Mg-сплава и 2520 °С для Al-сплава). Соответственно при облучении образцов данной системы «покрытие/подложка» необходимо попасть в интервал температур поверхности 600-1050 °С, чтобы не допустить кипения Mg-сплава, но при этом достигнуть температуры плавления обоих материалов для их жидкофазного перемешивания и образования интерметаллидных фаз. Эксперименты по температурным измерениям проводились на вакуумной электронно-пучковой установке «СОЛО». Локальная температура на поверхности образцов с нанесенным покрытием измерялась с помощью высокоскоростного инфракрасного пирометра «Kleiber KGA 740-LO», соединенного гибким волноводом с объективом «LVO 25» с возможностью регулировки размера области регистрации инфракрасного излучения и расстояния до поверхности образцов. На рис. 1 показана схема измерения температуры: 1 - электронный источник; 2, 3 - катушки транспортирующего магнитного поля; 4 - стол манипулятора; 5 - облучаемый образец; 6 - хромель-алюмелевая термопара; 7 - мультиметр «Fluke 175»; 8 - объектив «LVO 25»; 9 - кварцевое стекло марки КВ; 10 - высокоскоростной инфракрасный пирометр «Kleiber KGA 740-LO»; 11 - блоки питания и управления параметрами электронного источника; 12 - осциллограф «Tektronix TDS 1001B». Рабочий диапазон измеряемых пирометром температур составляет 300-2300 °C; спектральный диапазон - 2-2.2 мкм; время отклика - 6 мкс; температурное разрешение - 1 °С. Для уменьшения тепловых потерь в процессе измерения образцы фиксировались на поверхности стола манипулятора в подвешенном состоянии с помощью тонких полосок фольги из нержавеющей стали. Рис. 1. Схема измерения температуры поверхности образца в процессе импульсного электронно-пучкового воздействия Объектив пирометра с помощью специально изготовленного манипулятора фиксировался внутри вакуумной камеры, но при этом находился при атмосферном давлении. Для возможности регистрации температуры внутри вакуумной камеры использовалось кварцевое стекло толщиной 1.5 см, прозрачное для заданного спектрального диапазона. Пирометр имеет аналоговый выход 0-10 В, сигнал с которого регистрировался с помощью осциллографа. Для калибровки показаний пирометра использовалась хромель-алюмелевая термопара, спай которой фиксировался на обратной стороне образца, чтобы не допустить прямого попадания электронного пучка на термопару. Показания напряжения с термопары снимались с помощью мультиметра. Точность наведения объектива на участок поверхности и размер области измерения температуры контролировались визуально с помощью обратного светового луча, исходящего из объектива (рис. 1). Так как объектив располагался под углом 30° к поверхности образца, то излучаемая поверхность представляла собой эллипс с размерами 4×8 мм. У пирометра есть возможность задавать коэффициент излучения ε путем установки на потенциометре требуемого значения в диапазоне 0.01-1. Калибровка показаний пирометра и определение ε поверхности материала осуществлялась следующим образом: с помощью импульсного электронного пучка в частотно-импульсном режиме (частота импульсов 2 с- 1, плотность энергии в импульсе 0.5 Дж/см2, длительность импульса 70 мкс, энергия электронов 8 кэВ) теплоизолированный образец с закрепленной термопарой равномерно разогревался до температуры 400 °C. Путем изменения значения потенциометра на пирометре устанавливалось соответствие температуры 400 °C по термопаре - 0.5 В на осциллографе. Конечное положение потенциометра указывало на значение ε для данного материала и состояния его поверхности на момент измерения. По мере объемного остывания образца после частотно-импульсного электронно-пучкового нагрева регистрировалось еще несколько пар значений «температура (термопара) - напряжение (осциллограф)» и строилась калибровочная прямая, по которой в дальнейшем определялась температура поверхности при облучении в заданных режимах. Калибровка осуществлялась для каждого образца перед измерениями и дополнительно после измерений для выявления отклонения ε от первоначального значения. Измерения локальной температуры образца из магниевого сплава МА-2 с нанесенным покрытием из алюминиевого сплава А7 проводились при следующих параметрах электронно-пучковой обработки: ускоряющее напряжение Ua = 11-15 кВ, плотность энергии в импульсе ES = 3-12 Дж/см2, длительность импульса τ = 200 мкс. В результате проведенных измерений был определен диапазон плотностей энергии (3-12 Дж/см2), при котором достигается плавление материалов покрытия и подложки для длительности импульса 200 мкс (рис. 2). Температурные осциллограммы, полученные на поверхности образцов при импульсном электронно-пучковом воздействии в разных режимах, имеют схожий характер с резким нарастанием температуры на фронте (~ 107 К/с) и более плавным ростом в течение импульса (~ 106 К/с). Скорость охлаждения при этом составляет ~ 106 - 107 К/с. Рис. 2. Экспериментально полученные зависимости температуры поверхности образца магниевого сплава MA-2 с покрытием из алюминиевого сплава А7 толщиной 1 мкм от времени при разных параметрах импульсного электронно-пучкового воздействия. Горизонтальными линиями указан допустимый интервал температур Исходя из полученных зависимостей, было выбрано несколько режимов облучения с одинаковой плотностью мощности в импульсе (рис. 2, кривая 10 Дж/см2). Максимальная температура, достигаемая на поверхности образцов при облучении импульсным электронным пучком в этих режимах, равна: ≈ 700 °С для режима 3.5 Дж/см2, 70 мкс; ≈ 750 °С для 5 Дж/см2, 100 мкс; ≈ 900 °С для 10 Дж/см2, 200 мкс. Результаты и их обсуждение На рис. 3 приведены изображения поверхности системы «покрытие Al/подложка Mg» до и после импульсного электронно-пучкового воздействия. На поверхности образцов магниевого сплава после напыления Al-покрытия присутствует большое количество капель размером до 100 мкм, так как при вакуумном дуговом напылении не использовалась фильтрация плазменного потока от капельной фракции (рис. 3, а). Исследования морфологии поверхности системы «покрытие/под¬ложка» после облучения импульсным электронным пучком показывают, что при плотности энергии пучка 3.5 Дж/см2 и длительности импульса 70 мкс наблюдается начальная стадия плавления (рис. 3, б). Сглаживается рельеф поверхности, сформированный после механической обработки. Капельная фракция не претерпевает существенных изменений. Появляются микротрещины. Увеличение плотности энергии и длительности импульса электронного пучка сопровождается интенсивным плавлением поверхностного слоя и перемешиванием материалов покрытия и подложки (рис. 3, в, г). Облучение системы электронным пучком с плотностью энергии 5 Дж/см2 и длительностью импульса 100 мкс приводит к образованию кратеров, пор, микротрещин в расплавленном слое (рис. 3, в). С повышением плотности энергии с 5 до 10 Дж/см2 и длительности импульса пучка от 100 до 200 мкс количество пор, микротрещин уменьшается и формируется более однородный слой. Рис. 3. Структура поверхности системы «покрытие (Al)/подложка (Mg)» до (а) и после облучения импульсным электронным пучком (б - 3.5 Дж/см2, 70 мкс, 5 имп.; в - 5 Дж/см2, 100 мкс, 5 имп.; г - 10 Дж/см2, 200 мкс, 5 имп.) Изучение элементного состава поверхностного слоя системы показало, что с увеличением плотности энергии в импульсе и длительности импульса содержание Mg в поверхностном слое растет, а Al уменьшается (таблица), что может говорить как о жидкофазном перемешивании сплавов в процессе электронно-пучкового облучения, так и о вероятном испарении Al. Элементный анализ поверхности образцов системы «покрытие (Al)/подложка (Mg)» Режим обработки Al, ат.% Mg, ат.% Al/Mg 74.73 25.27 Al/Mg+ЭПО (3.5 Дж/см2, 70 мкс, 5 имп.) 64.45 35.55 Al/Mg+ЭПО (5 Дж/см2, 100 мкс, 5 имп.) 47.88 52.12 Al/Mg+ЭПО (10 Дж/см2, 200 мкс, 5 имп.) 21.44 78.56 На рис. 4 представлены рентгенограммы системы «покрытие (Al)/подложка (Mg)» после электронно-пучковой обработки. Рентгенограмма (рис. 4, б) подтверждает полученные ранее данные, что при облучении системы электронным пучком (3.5 Дж/см2, 70 мкс) перемешивания системы «покрытие/подложка» не происходит. На рентгенограмме присутствуют рефлексы, принадлежащие фазам Mg и Al. При повышении плотности энергии и длительности пучка рефлексы, принадлежащие Al, исчезают и появляются рефлексы, принадлежащие интерметаллидной фазе Mg17Al12. Объемная доля интерметаллидной фазы в поверхностом слое, формирующейся при облучении электронным пучком (10 Дж/см2, 200 мкс), ниже, чем в режиме облучения (5 Дж/см2, 100 мкс). Это связано с тем, что при более высокой плотности энергии и длительности импульса толщина расплавленного слоя больше и время жизни расплава длиннее. Это приводит к распределению Al на большую глубину, снижению его концентрации в поверхностном слое и закономерному снижению объемной доли интерметаллидной фазы. Рис. 4. Участки рентгенограмм поверхностного слоя магния марки МА-2 в исходном состоянии (а) и после комбинированной обработки (б, в). Режим облучения: б - 3.5 Дж/см2, 70 мкс, 5 имп.; в - 5 Дж/см2, 100 мкс, 5 имп.; г - 10 Дж/см2, 200 мкс, 5 имп. Формирование поверхностных Mg-Al-сплавов путем вакуумно-дугового напыления покрытия Al на подложку из Mg-сплава с последующим перемешиванием системы «покрытие-подлож¬ка» импульсным электронным пучком позволяет создать модифицированный слой с повышенными, в 1.7 раза, значениями микротвердости (рис. 5, а). Основной причиной упрочнения поверхностного слоя является твердорастворное упрочнение и выделение интерметаллидной фазы Mg17Al12. Триботехнические испытания в условиях сухого трения показали, что обработка приводит к более интенсивному, до 1.5 раза, изнашиванию поверхности, несмотря на ее возросшую твердость (рис. 5, б). Вероятно, это связано с тем, что в процессе трения тонкий упрочненный слой разрушается и образующиеся твердые частицы интенсивно изнашивают поверхность. Рис. 5. Микротвердость поверхности (а) и коэффициент износа (б) магниевого сплава МА-2 в исходном состоянии (1), системы «покрытие/подложка» (2) и после комбинированной обработки. Режимы облучения: 3 - 3.5 Дж/см2, 70 мкс, 5 имп.; 4 - 5 Дж/см2, 100 мкс, 5 имп.; 5 - 10 Дж/см2, 200 мкс, 5 имп. Заключение В результате проведенных исследований были выявлены закономерности формирования поверхностного сплава Al(А7)-Mg(МА-2) методом электронно-ионно-плазменного воздействия при изменении плотности энергии в импульсе электронно-пучкового воздействия и длительности импульсов. Комбинированная обработка поверхности в полученных режимах позволяет повысить, в 1.7 раза, микротвердость за счет образования интерметаллидной фазы Mg17Al12. Количество интерметаллидной фазы коррелирует с твердостью поверхностного слоя. Предлагаемый подход, позволяющий создавать слои с повышенной твердостью, может использоваться для повышения механических характеристик изделий из магниевых сплавов.

Скачать электронную версию публикации