Analysis of characteristics of metals and alloys processing with the high-speed stream of discrete particles dispersed by explosion energy of the channel charges and other dynamic methods

Full Text

Одним из перспективных инновационных направлений является аномально глубокое проникание в материалы дискретных частиц, приобретающих энергетический импульс за счет воздействия плазмы, ударной волны, электрических и магнитных полей и др. [1]. Среди данных методов эффект сверхглубокого проникания частиц (СГПч), разогнанных ударной волной, дает максимально большие глубины проникания частиц – до 1000 диаметров ударников при условии, что обработка ведется потоком частиц, а максимально глубокое проникание обеспечивается в интервале дисперсности частиц от десятка до сотен микрометров и скоростей метания от ~1 до 3 км/с при давлении соударения около 15 ГПа [2]. Эффект СГПч реализуется путем метания частиц по двум основным ударно-волновым схемам: расположение порошковой навески частиц в кумулятивной выемке заряда взрывчатого вещества (ВВ) [2] и торцевое метание частиц [3]. В данной работе авторами выявлено также аномально глубокое проникание дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва канальных зарядов ВВ, и другие особенности методов обработки металлов и сплавов высокоскоростным потоком частиц. Методика исследования Изучение структуры и свойств материалов, подвергнутых ударно-волновой обработке высокоскоростным потоком дискретных частиц, разогнанных канальным зарядом ВВ, проводилось на модельном материале – техническом железе. В качестве материала частиц использованы порошки высокопрочных соединений и элементов TiB2, TiC+Ni средней дисперсностью от 10 до 160 мкм, позволяющих внести упрочняющий эффект для исходной матрицы. Концентрация проникающих частиц была определена на рентгеновском микроанализаторе Superprobe JCXA – 733, чувствительность которого достигает 0.0001 % концентрации элементов по массе, что позволяет определять частицы дисперсностью до 0.5 мкм. Элементный химический состав участков матрицы железа осуществлялся методом микрорентгеноспектрального анализа на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A с приставкой Jeol JED-2200. Концентрацию компонентов определяли как среднее значение из 4 ÷ 5 локальных измерений на различных участках матрицы послойно. Микротвердость матрицы железа после обработки и в исходном состоянии определялась на микротвердомере ПМТ-3. Подготовка шлифов матрицы для исследований включает операции шлифования и полирования, обеспечивая микротвердость Ra ≤ 0.32 мкм. Для выявления микроструктуры матрицы проведено травление шлифов в 3%-м водном растворе HNO3. Исследование микроструктуры проведено с использованием оптического микроскопа. Результаты исследований Метод упрочняющей обработки металлов и сплавов потоком порошковых частиц, разогнанных энергией взрыва канальных зарядов ВВ, с целью упрочнения и повышения износостойкости поверхности изделий достаточно известен. В данной работе проведены исследования проникающей способности частиц и объемного микролегирования матрицы, ее микроструктуры и свойств. Схема установки, реализующей данный метод, показана на рис. 1. Заряд ВВ имеет канальную конструкцию с соотношением диаметра канала к диаметру заряда порядка 0.3. Обеспечивает скорость потока 3 – 3.5 км/с при давлении соударения 28 – 30 ГПа. Для упрочнения были использованы образцы армко-железа толщиной 6 и 7 мм диаметром 24 мм. Отжиг исходного образца не проводился, так как неоднородные структуры матрицы благоприятствуют аномально глубокому прониканию частиц [2]. Частицы, метаемые по данной схеме, порошкообразные TiC, плакированный Ni, и TiB2 дисперсностью соответственно 160 и 10 мкм. Проникание частиц в объеме матрицы при обработке TiC+Ni очень незначительно, отдельные следы наблюдаются с концентрацией до 0.01 % Ti на глубине 3-4 мм. Исследование проникающей способности TiB2 показало наличие данных элементов на глубине 4-6 мм с концентрацией 0.05 - 0.1 % Ti. На поверхности образца концентрация титана составляет 10-18 %. После обработки потоком частиц наблюдается значительное измельчение ферритовых зерен с исходного 50-100 мкм до 30-40 мкм в верхних слоях (на глубине 1‑2 мм). В направлении от поверхности к тыльной стороне образцов идет уменьшение размеров зерна в среднем на 5 мкм (рис. 2). Рис. 2. Микроструктура технического железа, обработанного потоком частиц TiB2, которые разогнаны энергией взрыва канальных зарядов ВВ Прочностные характеристики при данном методе обработки в 3 и более раз увеличивают свои значения по сравнению с исходным состоянием, как видно из рис. 3. Так, микротвердость в приповерхностных слоях составляет 630 МПа и увеличивается на глубине от 4 мм и далее к тыльной поверхности образца. Рис. 3. Изменение микротвердости по глубине образца технического железа, обработанного потоком частиц диборида титана, которые разогнаны энергией взрыва канальных зарядов ВВ Как видно из рис. 3, показатели микротвердости хорошо коррелируют с данными о наличии проникающих частиц в области повышенной микротвердости. Распространение же только ударной волны в материалах показывает лишь монотонное ослабление действия ударной волны от поверхности вглубь материала и как следствие снижение упрочняющего действия, степени измельчения зерна, значений твердости и прочности [5]. Проведены эксперименты по обработке материалов высокоскоростным потоком дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва канальных зарядов ВВ, по двум вариантам: с одинарной и удвоенной массой навески порошков TiC+Ni и TiB2. Обработка по 1-му варианту обеспечивает более высокую равномерность плотности распределения микрократеров по поверхности образца, что косвенно характеризует однородность микролегирования (рис. 4, 5). Рис. 4. Поверхность образца технического железа, обработанного потоком частиц диборида титана, которые разогнаны энергией взрыва канальных зарядов ВВ Рис. 5. Распределение микрократеров на поверхности образца железа, обработанного потоком частиц диборида титана, которые разогнаны энергией взрыва канальных зарядов ВВ: - кратеры размером ~100 мкм; кратеры размером ~200-300 мкм Таким образом, обработка материалов высокоскоростным потоком порошковых частиц, разогнанных энергией канальных ВВ, обеспечивает аномально глубокое проникание частиц и может быть использована для разработки композиционных дисперсноупрочненных материалов. Кроме того, распределение микрократеров на поверхности материалов, обработанных высокоскоростным потоком частиц, мало изучено в других динамических схемах, хотя значительно влияет на качество обработки. Так, имеется сверхглубокое проникание частиц по ударно-волновой схеме торцевого метания частиц через воздушный зазор [3]. Данная схема реализуется в рамках указанных выше режимов СГПч (рис. 6). Проведены исследования возможности реализации эффекта аномально глубокого проникания частиц под различными углами обстрела дискретными частицами углеродистой стали (0.8 % С). Углы обстрела – это направление обстрела соосно оси образца (0о) и под углом между направлением обстрела и осью образца 30о и 45о [4]. Произведено метание частиц вольфрама дисперсностью около 10 мкм и нитридом титана средней дисперсностью 40 мкм. Проникающая способность частиц вольфрама составляет около 17 мм при всех углах обстрела, а нитрида титана – 15 мм. Основное отличие в микроструктуре и свойствах, которые наблюдаются при различных углах обстрела, – это наличие значительных максимумов микротвердости в центральной части образцов для углов метания 0о и 30о и выравнивание значений микротвердости по всей площади поперечного сечения матрицы при углах метания 45о. Максимальный размах в увеличении микротвердости в центре наблюдается на глубине 4 мм (табл. 1). Данные изменения объясняются жестким ударным взаимодействием высокоскоростных элементов при нормальном соударении (или небольших углах обстрела) и формировании боковых отраженных волн разрежения, которые снижают эффект упрочнения у боковой поверхности. Таблица 1 Изменение микротвердости стальной матрицы в зависимости от угла метания высокоскоростным потоком дискретных частиц Углы метания частиц Метание частиц вольфрама Метание частиц нитрида титана max Нµ, МПа, в центре среза min Нµ, МПа, у боковой поверхности Δ Нµ, МПа max Нµ, МПа, в центре среза min Нµ, МПа, у боковой поверхности Δ Нµ, МПа 0о 2300 2150 150 2500 1950 550 30о 2400 2250 150 2950 2000 950 45о 2350 2250 100 2600 2250 350 *Исходная микротвердость составляет Нµ = 1800 МПа. При метании с большими углами обстрела реализуется удар по касательной, который при значениях более 45о может приводить даже к рикошету, скольжению отдельных частиц по поверхности. При больших углах метания частиц имеет место также сглаживающее действие интерференции падающей ударной волны и боковой отраженной волны, которое выравнивает прочностные свойства материала по всему поперечному сечению образцов. Объемное микролегирование металлов и сплавов по ударно-волновой схеме торцевого метания частиц через воздушный промежуток [3] реализует эффект СГПч и обеспечивает достаточно однородное поле кратерообразования, особенно мелких кратеров (рис. 7), которое характеризует поле распределения проникающих частиц при метании по нормали. Рис. 7. Распределение микрократеров на поверхности образцов железа, обработанного путем торцевого метания через воздушный промежуток потока частиц вольфрама: кратеры размером ~200 мкм; кратеры размером ~500 мкм Не изучалось распределение микрократеров при метании порошковых частиц в металлические матрицы по первой схеме СГПч-зарядом взрывчатого вещества, в нижнем срезе которого располагается навеска порошка в кумулятивной выемке [2]. Но изучен процесс формирования кумулятивной струи в ускорителе порошковых частиц, изначально используемый С.М. Ушеренко с сотрудниками (рис. 8). а б Рис. 8. Ускоритель порошковых частиц для реализации эффекта СГПч: а – конструкция ускорителя, б – формирование потока частиц Экспериментально рентгеноимпульсной фотосъемкой определено развитие потока частиц [6]. Через 30 мкс после инициирования заряда ВВ четко видно формирование всех составляющих кумулятивной струи – это струя, пест и основная масса частиц (воронка). При этом скорость струи ~1600 м/с, скорость основной массы ~800 м/с. В данном временном диапазоне 10-30 мкс проводится обработка металлов и сплавов для достижения СГПч. В целом разработка технологий динамического объемного микролегирования металлов и сплавов за счет аномально глубокого проникания дискретных порошковых частиц опирается на возможности различных ударно-волновых схем по режимам метания частиц, давлению и времени соударения частиц с матрицей, равномерной плотности распределения частиц при взаимодействии с поверхностью матрицы (кратерообразования) и распределении концентрации проникших частиц. Обработка материалов с использованием канальных зарядов находит свое место среди данных методов (табл. 2). Из табл. 2 видно, что действительно активное проникание материала метаемых в потоке порошковых частиц идет в интервале скоростей 1-3 км/с и давлений соударения 10-15 ГПа. В верхней скоростной границе имеем небольшую концентрацию проникших частиц, но хороший эффект упрочнения (см. рис. 3). Таблица 2 Характеристики ударно-волновых схем обработки матрицы технического железа высокоскоростным потоком порошковых частиц Ударно-волновая схема нагружения матрицы Скорость частиц, км/с Давление соударения потока частиц с матрицей, ГПа Скорость деформирования матрицы, с-1 Концентрация проникающих частиц, % масс. Коэффициент увеличения микротвердости матрицы Метание частиц кумулятивной струей (СГПч) 1 – 3 10 – 15 106 1.3 – 1.7* 1.2 – 1.4 Торцевое метание через воздушный зазор 1 – 2.5 10 – 12 106 0.8 – 0.9 1.2 – 1.3 Метание частиц канальными зарядами ВВ 3 – 3.5 28 – 30 107 0.05 – 0.1 3 – 4 *Максимальные значения по данным [2]. Данный интервал динамических режимов нагружения материалов около 10 – 30 ГПа обоснованно выделяется в большом объеме исследовательских работ, проводимых разными авторами по высокоскоростному динамическому нагружению металлов. Так, зафиксировано, что давление ударной волны порядка 30 ГПа и более является некоторой границей – это максимум микротвердости или незначительное уменьшение для ряда металлов [7]. Воздействие ударной волны на металлы в интервале 30 – 50 ГПа для многих металлов уже не повышает упрочнения. В данном интервале давлений также идет «замораживание» коэффициента массопереноса [7]. Таким образом, целостная задача дисперсионного упрочнения материалов может решаться формированием оптимальных условий по совокупности необходимой доли объемного микролегирования материалов и в целом упрочнения за счет использования той или иной динамической схемы нагружения. Выводы по работе 1. Выявлено аномально глубокое проникание порошковых частиц на глубину 400 – 600 диаметров частиц при обработке технического железа потоком дискретных частиц TiB2 при скорости метания 3 – 3.5 км/с, давлении соударения ~30 ГПа путем метания частиц энергией взрыва канальных зарядов ВВ. 2. Исследования микроструктуры и прочностных свойств технического железа показали увеличение микротвердости в 3 и более раз от исходного значения, измельчение зерна до – 10 – 20 мкм. 3. Проведена оценка ударно-волновых систем обработки металлов и сплавов потоком порошковых дискретных частиц, показывающая проникающую способность частиц в данных схемах обработки и некоторые технологические преимущества по однородности воздействия потока на матрицы.

About the authors

Svetlana E Aleksentseva

Samara State Technical University

(Ph.D. (Phys.& Math.)), Associate professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Alexander L Krivchenko

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files