Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Выполненные работы: 1. Проведены аналитические исследования по расчету химического состава компонентов, формирующих быстрорежущий теплостойкий сплав высокой твердости типа Р18Ю. 2. Изготовлена многокомпонентная порошковая проволока для наплавки Р18Ю. 3. Получены три группы образцов. Первая группа образцы создавалась по технологии плазменной наплавки в среде азота. Вторая группа наплавленных образцов подвергалась высокотемпературному отпуску. Третья группа наплавленных образцов после высокотемпературного отпуска подвергалась электронно-пучковой обработке. 4. Проведены следующие испытания и исследования структуры и свойств образцов каждой группы. Испытания на микротвердость, нанотвердость, модуль Юнга, износостойкость, коэффициент трения. Исследование покрытий методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Установление закономерностей формирования структуры. Сравнение полученных свойств со справочными свойствами материалов, получаемых по общепринятым технологиям. 5. Подготовлены к публикации в журналах, индексируемых в Web of Science или Scopus, не менее 2 статей. Написан отчет по этапу 2023 г. Результаты проанализированы и обсуждены их на международных конференциях. Основные полученные научные результаты: Впервые осуществлено формирование покрытия Р18Ю посредствам плазменной наплавки в среде азота на поверхности легированного конструкционного сплава 30ХГСА. Установлено влияние последующих высокотемпературного отпуска и электронно-пучковой обработки на трансформацию структуры и свойств наплавочных слоев. Основные результаты: 1. Наплавка в среде азота приводит к формированию слоя с зеренной структурой дендритного типа с размером зерен, изменяющимся в пределах от 4 до 13,5 мкм. Объем зерен обогащен атомами железа. Границы зерен разделены тонкими ≈ 1 мкм прослойками второй фазы, которые обогащены атомами хрома, алюминия, вольфрама и ванадия. Отмечено формирование ячеек с аустенитно-мартенситной структурой. Покрытия имеют разориентированную дендритную структуру с характерным размером осей первого порядка 100 мкм, которая мало изменяется с глубиной. При больших увеличениях детально выявляется карбидная сетка с размерами ячеек в пределах от 20 до 100 мкм, окаймленная слоем однородного металла. Внутренний объем ячеек имеет аустенитно-мартенситную структуру, характерный размер мартенситных игл которой составляет от 1 до 3 мкм. 2. Исследованы особенности микроструктуры зоны наплавки быстрорежущей стали Р18 на сталь 30ХГСА и переходной зоны подложка/покрытие методом просвечивающей электронной микроскопии. Показано, что микроструктура и фазовый состав зоны наплавки подобны закаленной структуре быстрорежущей стали Р18 с некоторыми особенностями. Покрытие имеет ОЦК решетку матрицы с очень высокой объемной долей карбидов типа М6С (М = Fe, W, Cr, Mo, V) – так называемого карбида быстрорежущей стали. Согласно данным РСА объемная доля карбида около 50 %, что подтверждается данными ПЭМ. Карбиды имеют различную морфологию. На уровне ПЭМ выявляются крупные конгломераты частиц, представляющих собой единую «скелетную» структуру. Также встречаются объединенные конгломераты ламельных, либо неправильной формы частиц. Отдельные (микронные и субмикронные) карбидные частицы встречаются гораздо реже (по сравнению с закаленной структурой Р18). Между крупными объединениями карбидов наблюдаются участки ОЦК матрицы, в которой встречаются как ферритные, так и мартенситные области, что определяется по характерной структуре и плотности дислокаций. Для феррита характерны зерна (между крупными карбидными частицами) с меньшей на порядок плотностью дислокаций, чем в мартенсите. Для мартенсита характерна высокая плотность дислокаций и ламельная структура с мало- и высокоугловыми разориентировками. В переходной зоне наблюдается структура с достаточно крупными частицами М6С и тонкими пластинчатыми частицами М6С, М3С, или МС. 3. Высокотемпературный отпуск сопровождается увеличением размеров зерен до 7 – 22,5 мкм, перемещением атомов хрома и ванадия с границ в объеме зерен, формированием структуры пластинчатого (игольчатого) типа, по морфологическому признаку характерной для пластинчатого мартенсита. Происходит рост мартенситных игл, размеры которых изменяются в пределах от 2 до 6 мкм. 4. Исследованиями методами просвечивающей электронной микроскопии зоны наплавки быстрорежущей стали Р18 на сталь 30ХГСА и переходной зоны подложка/покрытие после высокотемпературного отпуска показано, что микроструктура и фазовый состав зоны наплавки подобны структуре наплавки стали Р18 в исходном состоянии. Также, как и до отпуска, покрытие имеет ОЦК решетку матрицы с очень высокой объемной долей карбидов типа М6С (М = Fe, W, Cr, Mo, V). Согласно данным рентгеноструктурного анализа его объемная доля несколько меньше, чем без отпуска, но тем не менее достаточно высока (44 %), что больше чем у стали Р18 в любых структурных состояниях. Данные просвечивающей электронной микроскопии подтверждают это. Помимо крупных конгломератов частиц М6С со «скелетной» структурой наблюдается субмикронные отдельные (не объединенные в конгломераты) частицы. Существенным отличием структурного состояния покрытия после отпуска является наличие высокой плотности наноразмерных карбидов. Это могут быть вторичные карбиды как М6С, так и МС. Также выявлены аустенитные зерен с дефектами упаковки. Наличие остаточного аустенита характерно для быстрорежущей стали, однако в области покрытия после отпуска он находится в отпущенном (недеформированном) состоянии. Области мартенситной структуры встречаются реже. Более характерна отпущенная ферритная структура с высокой плотностью вторичных наноразмерных частиц карбидов. В отдельных участках фольги обнаружилась упорядоченная структура с антифазными доменами. Возможно, это интерметаллидная фаза (Mo,W)6(FeCo)7, так называемая μ – фаза. По сравнению с состоянием исходной зоны, в переходной зоне после отпуска меньшая плотность дислокаций. 5. Облучение импульсным электронным пучком наплавленного сплава, подвергнутого предварительному высокотемпературному отпуску, приводит к кардинальному преобразованию структуры поверхностного слоя толщиной до 50 мкм: (1) к фрагментации поверхностного слоя сеткой микротрещин; (2) к формированию структуры ячеистого типа с размером ячеек высокоскоростной кристаллизации от 0,7 до 1,0 мкм, по границам который расположены включения второй фазы размерами от 110 до 240 нм; (3) к снижению (относительно исходного наплавленного слоя) в 1,4 раза относительного содержания атомов углерода, к увеличению в 2 раза относительного содержания атомов ванадия, хрома в 1,2 раза и вольфрама 1,6 раза. Происходит залечивание микротрещин, отпуск мартенсита, размывание карбидной сетки. Наблюдается очень высокая плотность наноразмерных карбидов в ячеистой структуре феррита. По границам субмикронных (дислокационных) ячеек выделились дисперсные (наноразмерные) частицы МС, такие же частицы наблюдаются и внутри ячеек. 6. В переходной зоне наплавки быстрорежущей стали Р18 на сталь 30ХГСА после отпуска и электронно-пучковой обработки наблюдается «скелетная» структура из карбидов типа М6С (М = Fe, W, Cr, Mo, V) с прослойками матрицы. Однако объемная доля карбидов незначительна, пластины тоньше по сравнению с наплавленным состоянием. Помимо этого, наблюдается множество вторичных карбидов кубоидной и ромбовидной формы. Вероятно, эти карбиды образовались в условиях отпуска, поскольку ЭПО никак не могла повлиять на интерфейс покрытие/подложка. В целом структура выглядит достаточно релаксированной. Об этом свидетельствуют точечные электронограммы и невысокая плотность дислокаций в феррите. Однако плотность дисперсных частиц карбидов очень высока. Это могут быть как М6С, так и МС. Можно говорить о невысоких локальных внутренних напряжениях на интерфейсе. 7. Высокотемпературный отпуск и последующее облучение импульсным электронным пучком приводят к увеличению микротвердости наплавленного слоя на 13 %, износостойкости более чем в 3 раза и снижению коэффициента трения на 21 %.