Modification of the surface of a tungsten carbide composite material by electron-ion-plasma methods.pdf Введение В настоящее время сформировался огромный интерес в области применения методов пучково-плазменной обработки поверхности различных конструкционных и функциональных материалов с целью повышения их физико-механических и функциональных свойств. Такая высокоэнергетическая обработка позволяет формировать в условиях сверхбыстрого нагрева и охлаждения при воздействии концентрированных потоков энергии структуру и структурно-фазовые состояния поверхностных слоев материала с более высоким уровнем физико-механических свойств [1, 2]. Особый интерес вызывает модификация поверхности материалов, работающих в условиях динамического нагружения. В таких условиях работает инструмент при различных операциях обработки металлов давлением (высадка, ковка, штамповка и т.д.). Для данного типа инструмента в качестве формообразующих частей с высокой эффективностью используются композиционные материалы на основе карбида вольфрама с различными вариантами связок. Данные композиционные материалы, получаемые методами порошковой металлургии, являются гетерогенными материалами, состоящими из высокотвердых тугоплавких частиц (карбидов, боридов, нитридов) и пластичной связки (твердого раствора на основе кобальта, никеля, железа) [3, 4]. Цель настоящей работы - экспериментальное исследование эффективности модификации структуры поверхностного слоя пористого карбидовольфрамового псевдосплава WC-WCoNiFe методами пучково-плазменной обработки. Данные материалы представляют большой интерес как с точки зрения их практического приложения, так и в качестве уникальных объектов для исследования влияния межфазных и межзеренных границ на физико-химические и физико-механические свойства таких материалов. Экспериментальные установки, материал и методики исследования Для получения карбидовольфрамового псевдосплава использовались методы порошковой металлургии, которые включают получение исходной шихты с равномерным распределением всех компонентов, изготовление прессовки и спекание в вакууме при давлении 8.7∙10-1 Па в интервале температур 1300-1450 °C. Состав полученного в данной работе псевдосплава WC-WCoNiFe, используемого для изготовления образцов: 69 вес.% WC - 22.5 вес.% W - 1.8 вес.% Ni - 0.45 вес.% Fe - 6.25 вес.% Co. Композиция и методика получения материала были разработаны в Томском государственном университете [5]. Средняя плотность достигала ρ0 = 11.8 г/cм3. Теоретическая плотность данного материала рассчитывалась как аддитивное сложение плотностей всех компонент данной композиции и составляла ρm0 = 17.53 г/cм3. Остаточная пористость рассчитывалась как ξ = (1 - ρ0/ρm0)∙100% и составляла 32.6%. Образцы из полученного пористого карбидовольфрамового псевдосплава в виде шайб диаметром 13 мм и толщиной 4 мм подвергались как импульсной электронно-пучковой обработке, так и комбинированной электронно-ионно-плазменной обработке, сочетающей напыление тонкой (1 мкм) пленки из титанового сплава ВТ1-0 (99.24-99.7 ат.% Ti) вакуумным электродуговым методом с плазменным ассистированием [6] и последующее импульсное электронно-пучковое плавление системы «покрытие (пленки из титанового сплава ВТ1-0)/подложка (WC-WCoNiFe)». Оптимальная толщина напыляемой пленки из Ti-сплава была определена экспериментально в результате предварительных исследований. Для повышения адгезии покрытия к подложке перед напылением производилась очистка поверхности образцов в аргоновой плазме, создаваемой несамостоятельным дуговым разрядом с накаленным и полым катодами (плазмогенератор «ПИНК») [6], которая также использовалась для плазменного ассистирования в процессе напыления металлического покрытия. Для генерации импульсного электронного пучка использовался электронный источник с плазменным катодом с сеточной стабилизацией границы катодной плазмы [7], который входит в состав вакуумной электронно-пучковой установки «СОЛО» [8]. Для перемещения образцов внутри вакуумной камеры использовался двухкоординатный манипулятор с размерами области сканирования 180×165 мм. Весь процесс электронно-пучковой обработки происходил в вакууме при давлении 3.5•10-2 Па (Ar). Для предотвращения образования трещин на поверхности карбидовольфрамового псевдосплава из-за возникающих в результате неоднородного высокоскоростного нагрева напряжений использовался предварительный объемный нагрев образца электронным пучком до температуры 600-800 °С в частотно-импульсном режиме воздействия: плотность энергии в импульсе 0.5 Дж/см2, длительность импульсов 50 мкс, количество импульсов 300, частота следования импульсов 5 с-1. Облучение нагретых образцов псевдосплава WC-WCoNiFe и системы «покрытие (Ti)/подложка (WC-WCoNiFe)» осуществлялось при следующих параметрах электронного пучка: 40-65 Дж/см2, 150-200 мкс, 5-15 имп., 1 с-1. Стол манипулятора охлаждался проточной водой для предотвращения перегрева его механизмов в процессе облучения, а также ускорения остывания образцов перед извлечением из вакуумной камеры. Импульсное воздействие электронного пучка приводит к плавлению поверхностного слоя материала на глубину до нескольких десятков микрометров за счет высокоскоростного (7∙108 К/с) нагрева, а в случае с облучением системы «покрытие/подложка» - к жидкофазному перемешиванию обоих материалов. Окончание импульса тока пучка сопровождается высокоскоростным (106-107 К/с) охлаждением и кристаллизацией расплавленного слоя за счет теплопроводности материала. Для определения оптимальных режимов модификации поверхности карбидовольфрамового псевдосплава и системы «покрытие/подложка» был проведен комплекс исследований структуры, фазового состава и механических свойств поверхности образцов до и после комбинированной обработки. Исследование морфологии поверхности образцов модифицированного псевдосплава 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 в Томском региональном центре коллективного пользования ТГУ (Центр (№ 13.ЦКП.21.0012) поддержан грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-15-2021-693). Микротвердость поверхности образцов HV определяли с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 0.5 Н не менее чем в десяти точках на разных участках поверхности. Результаты и их обсуждение Исследуемый пористый карбидовольфрамовый псевдосплав состоит из частиц карбида вольфрама размером до 5 мкм, скрепленных WСoNiFe металлической связкой. Псевдосплав обладает высокой микротвердостью, значения которой достигают 19 ГПа. На рис. 1 отчетливо видно присутствие концентрических пор с размерами 0.5-1 мкм, равномерно распределенных по всему объему материала. Их наличие характерно для всех сплавов, получаемых методами порошковой металлургии, и значительно снижает прочность материала. Основная задача пучково-плазменной модификации поверхности полученного псевдосплава состояла в исследовании возможности создать на пористой структуре плотный бездефектный слой. Рис. 1. Характерная структура излома пористого карбидовольфрамового псевдосплава WC-WCoNiFe В результате облучения образцов из карбидовольфрамового псевдосплава электронным пучком с длительностью импульса 150 мкс и плотностью энергии 40-60 Дж/см2 происходит интенсивное плавление и кипение материала. На поверхности формируется волнообразный рельеф с трещинами и отколами поверхностного слоя. С увеличением длительности импульса до 200 мкс при плотности энергии 50 Дж/см2 формируется гладкий слой, в котором присутствуют мелкие поры и наблюдается сетка трещин (рис. 2, б). Повышение плотности энергии при сохранении длительности импульса пучка 200 мкс приводит к появлению волнообразного рельефа поверхности. Легирование поверхностного слоя твердого сплава WC-WCoNiFe титаном за счет перемешивания материалов системы «покрытие/подложка (WC-WCoNiFe)» при импульсном электронно-пучко¬вом воздействии с плотностью энергии пучка 50 Дж/см2 и длительностью импульса 200 мкс позволяет снизить количество микротрещин в поверхностном слое, но до конца избавиться от них не удается (рис. 2, в). По данным рентгеноспектрального анализа выявлено, что при облучении материала импульсным электронным пучком происходит частичное испарение связки. Ее количество в поверхностном слое после облучения ( = 200 мкс, Es = 50 Дж/см2) уменьшается с 10 до 5.5 вес.%. Рис. 2. СЭМ-изображения структуры поверхности пористого карбидовольфрамового псевдосплава WC-WCoNiFe в исходном состоянии (а) и после облучения импульсным электронным пучком ( = 200 мкс, Es = 50 Дж/см2) (б), а также системы «покрытие (Ti)/подложка (WC-WCoNiFe)», обработанной импульсным электронным пучком ( = 200 мкс, Es = 50 Дж/см2) (в) На рис. 3 представлены участки рентгенограмм данного псевдосплава WC-WCoNiFe до и после электронно-ионно-плазменной обработки. Анализ полученных рентгенограмм показывает, что в исходном состоянии в материале присутствуют три фазы -WC, являющийся основной фазой, карбид W3Co3C и кобальт (рис. 3, а). Электронно-пучковое воздействие на пседосплав привело к существенному изменению фазового состава поверхностного слоя. В результате электронно-пучкового нагрева поверхностного слоя до температур плавления и выше происходит разложение карбидов WC, W3Co3C и формирование карбида W2C (рис. 3, б) с выделением углерода. После электронно-пучкового перемешивания системы «покрытие/подложка (WC-WCoNiFe)» в поверхностном слое стабилизируется кубическая фаза (Ti, W)C с ГЦК-решеткой, и она является основной (рис. 3, в). Выявляется преимущественная ориентация зерен (Ti, W)C вдоль направления [200]. Помимо (Ti, W)C-фазы в поверхностном слое присутствуют гексагональные карбиды W2C и WC. Рис. 3. Участки рентгенограмм поверхностного слоя твер¬дого сплава WC-WCoNiFe в исходном состоянии (a), после облучения импульсным электронным пучком ( = 200 мкс, Es = 50 Дж/см2) (б) и системы «покрытие (Ti)/ подложка (WC-WCoNiFe)», обработанной импульсным электронным пучком ( = 200 мкс, Es = 50 Дж/см2) (в) Результаты измерения микротвердости поверхностного слоя свидетельствуют о том, что максимальные значения (22 ГПа) достигаются в случае обработки псевдосплава электронным пучком с плотностью энергии 50 Дж/см2 и длительностью импульса = 200 мкс. Это обусловлено, во-первых, формированием в поверхностном слое более твердой фазы W2С, во-вторых, уменьшением количества связки в приповерхностном слое. Заключение Использование электронно-пучковой обработки и комбинации методов электронно-ионно-плазменного воздействия позволило определить эффективные режимы снижения пористости поверхности композиционного материала - псевдосплава на основе карбида вольфрама с многокомпонентной связкой (W, Co, Ni, Fe). Минимальная пористость и наименьшее количество трещин в модифицированном слое достигается при использовании комбинированной обработки. В результате электронно-пучковой обработки псевдосплава наблюдается повышение микротвердости поверхностного слоя до 22 ГПа. Увеличение прочностных свойств поверхностного слоя связано с образованием в нем более твердой карбидной фазы W2С и уменьшением количества связки.

Скачать электронную версию публикации