Анализ растворения углерода в титане при электронно-пучковой обработке
Автор: Громов Виктор Евгеньевич, Райков Сергей Валентинович, Шерстобитов Денис Александрович, Иванов Юрий Федорович, Хаимзон Борис Бернардович, Коновалов Сергей Валерьевич
Рубрика: Физика
Статья в выпуске: 1 т.5, 2013 года.
Бесплатный доступ
Методами сканирующей электронной микроскопии выполнен анализ структурно-фазового состояния поверхности титанового сплава ВТ6, подвергнутого электровзрывному легированию углеграфитовыми волокнами и последующей электронно-пучковой обработке. Рассмотрен процесс растворения углеграфитовых волокон на каждом этапе обработки. Проведено сравнение с результатами теоретических модельных представлений.
Растворение углерода, титан, волокна, сканирующая электронная микроскопия
Короткий адрес: https://sciup.org/147158761
IDR: 147158761
Текст научной статьи Анализ растворения углерода в титане при электронно-пучковой обработке
( )
- ( ) [1]. -
.
-
.
-
-
[1–4]
. [5],-
[6], [7]-
-
.
, (~10)
10 .
.-
-.
, , ,
-.
Громов В.Е., Райков С.В., Шерстобитов Д.А., Анализ растворения углерода в титане Иванов Ю.Ф., Хаимзон Б.Б., Коновалов С.В. при электронно-пучковой обработке
Предложенная физическая модель и математический расчет позволяют утверждать, что в нанометровом диапазоне размера ячейки неоднородности, формирующие гетерогенную структуру после ЭВЛ, полностью модифицируются с помощью ЭПО за счет увеличения времени охлаждения , обусловленного теплотой реакций и темпом внешнего охлаждения.
Целью настоящей работы является сопоставление результатов и выводов модельных пред -ставлений [8] с экспериментальными данными эволюции структурно-фазовых состояний поверхности титанового сплава ВТ6, обработанных плазмой электрического взрыва углеграфитового волокна (далее по тексту УГВ) и подвергнутых последующей ЭПО. Как и в [1-4] поглощаемая мощность при ЭВЛ составляла 5,5 ГВт/м2, масса взрываемых УГВ ~70 мг. Параметры ЭПО: плотность энергии пучка электронов в импульсе - 45 Дж/см2, время воздействия - 100 мкс, число импульсов - 10.
Исследования поверхности облучения, выполненные методами сканирующей электронной микроскопии [9, 10], выявили присутствие осколков УГВ (рис. 1). О том, что данные осколки сформированы углеродом, свидетельствуют изображения структуры, полученные в обратно отраженных электронах. На таких снимках области, обогащенные более легким элементом, имеют более темный контраст [10, 11] (рис. 1, б). По сравнению с титаном углерод имеет меньший атомный вес, поэтому выявленные стержневидные образования являются графитом - осколками УГВ.

Рис. 1. Структура поверхности титанового сплава ВТ6, обработанного плазмой, формирующейся при электрическом взрыве углеграфитового волокна (указаны стрелками). Сканирующая электронная микроскопия; а ) изображение получено во вторичных электронах, б) изображение получено в обратно отраженных электронах
Результаты статистического анализа поперечных размеров таких стержней приведены на рис. 2, a . Средние поперечные размеры стержней 3,25 ± 1,05 мкм; реальные размеры стержней изменяются в пределах от 1,67 мкм до 5,5 мкм.
Дополнительная ЭПО поверхности титанового сплава ВТ6, подвергнутого ЭВЛ, приводит к

0,375 1,125 1,875 2,625 3,375 4,125 4,875 5,625
d, мкм

Рис. 2. Распределение по размерам (поперечные размеры) углеграфитовых волокон, выявленных в приповерхностном слое титанового сплава ВТ6;
а ) после электровзрывного легирования УГВ (дважды); б) после дополнительной ЭПО
-
. ,-
. 3.
,
-
6, ,-
- , . 2, а.

Рис. 3. Структура дендритной (а) и ячеистой (б) кристаллизации поверхности титанового сплава ВТ6 после ЭВЛ и последующей ЭПО. Сканирующая электронная микроскопия
+6
-
.
. 4.
,-
,, ..
. ,- дит по границе раздела жидкой и твердой фаз, т.е. по дну ванны расплава. Размерные характеристики выявленных стержней приведены на рис. 2, б. Средние поперечные размеры стержней 2,24 ± 0,71 мкм; реальные размеры стержней изменяются в пределах от 1,25 мкм до 3,75 мкм.
Таким образом, выполненные исследования выявили сложную кинетику растворения оскол-

Рис. 4. Структура поверхности и подповерхностного слоя титанового сплава BT6, обработанного плазмой, формирующейся при электрическом взрыве углеграфитового волокна и дополнительно облученной элек-тронным пучком. Сканирующая электронная микроскопия.
ков углеграфитовых волокон, попадающих в поверхностный слой при электровзрывном легировании . При указанном режиме электронно-пучковой обработки осколки углеграфитового волокна практически полностью растворяются в поверхностном слое, находящемся в состоянии расплава, и частично растворяются в переходном слое, отделяющем расплавленный слой от слоя, находящегося в твердом состоянии. Наблюдается существенное расхождение экспериментально установленных результатов с результатами теоретических оценок. Время растворения УГВ оказалось существенно меньше, чем следует из теории для волокон данного диаметра. Это можно объяснить следующим образом. На рис. 1 не выявлена тонкая структура УГВ. Согласно [12] УГВ состоят из тончайших микрофибрилл, имеющих ленточный вид толщиной порядка нм и шириной порядка 10 нм. При воздействии на поверхность материала электронным пучком жидкий титан протекает между этими микрофибриллами, что и приводит к их быстрому растворению.
Список литературы Анализ растворения углерода в титане при электронно-пучковой обработке
- Формирование структурно-фазовых состояний металлов и сплавов при электровзрывном легировании и электронно-пучковой обработке/Е.А. Будовских, Е.С. Ващук, В.Е. Громов и др. -Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2011. -207 с.
- Структура, фазовый состав и свойства поверхностных слоев титановых сплавов после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки/Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Е.А. Будовских и др. -Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2012. -434 с.
- Структура, фазовый состав и свойства титана после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки: монография/Ю.Ф. Иванов, С.В. Карпий, М.М. Морозов и др. -Новокузнецк: Изд-во НИК, 2010. -173 с.
- Структурно-фазовые состояния титана после электровзрывного легирования и последующей электронно-пучковой обработки/С.В. Карпий, М.М. Морозов, Е.А. Будовских и др.//Успехи физики металлов. -2010. -Т. 11, № 3. -С. 273-293.
- Гидродинамическая модель образования наноструктурных слоев/В.Д. Сарычев, А.Ю. Грановский, С.Н. Старовацкая, В.Е. Громов//Изв. вузов. Чер. металлургия. -2012. -№ 6. -С. 57-60.
- Сарычев, В.Д. Математическая модель генерации термоупругих волн при воздействии концентрированных потоков энергии на материалы/В.Д. Сарычев, М.С. Волошина, В.Е. Громов//Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2011. -Т. 8, № 4. -С. 71-76.
- Математическая модель растворения частиц углерода в титане при воздействии концентрированных потоков энергии/В.Д. Сарычев, Б.Б. Хаимзон, H.A. Соскова, В.Е. Громов//Титан. -2012. -№ 1. -С. 4-8.
- Диффузионная модель растворения частиц углерода в титане при воздействии концентрированных потоков энергии/Б.Б. Хаимзон, В.Д. Сарычев, H.A. Соскова, В.Е. Громов//Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2012. -№ 2. -С. 19-21.
- Энгель, Л. Растровая электронная микроскопия. Разрушение: справочник/Л. Энгель, Г. Клингеле; пер. с нем. Б. Е. Левина; под ред. М. Л. Бернштейна. -М.: Металлургия, 1986. -230 с.
- Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения/М.М. Кришталл, И.С. Ясников, В.И. Полунин и др. -М.: Техносфера, 2009. -208 с.
- Брандон, Д. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля/Д. Брандон, У. Каплан. -М.: Техносфера, 2006. -384 с.
- Материаловедение/Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. -М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. -648 с.