Исследование влияния модифицирующих наноматериалов на свойства поверхностных слоев металлов и сплавов, получаемых обработкой высококонцентрированными источниками энергии (лазерными лучом, высокочастотным электромагнитным полем)

Цель: повышение физико-химических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев с помощью применения наноразмерных тугоплавких соединений. Проведен цикл экспериментальных и численных работ по изучению влияния наноразмерных частиц тугоплавких соединений на свойства поверхностных покрытий, получаемых обработкой лазерным лучом и высокочастотным индукционным полем. Впервые для металлизации тугоплавких наночастиц с целью повышения их смачиваемости апробирован метод СВС-получения интерметаллических соединений из шихтового порошкообразного материала, содержащего наноразмерные тугоплавкие частицы. С целью достижения равномерного распределения высокодисперсных частиц тугоплавких химических соединений в матрице из интерметаллического соединения AlNi исходная порошковых смесей никеля и алюминия с частицами тугоплавких материалов подвергалась интенcивному перемешиванию в многоножевом гомогенизаторе. В процессе синтеза поверхности частиц хорошо смачивались расплавом, что способствовало образованию прочной границы раздела частиц тугоплавких химических соединений с интерметаллической матрицей синтезированного компакта. В результате к последующему механическому диспергированию компакта достигалось равномерное распределение наночастиц в порошковой смеси. С помощью численных расчетов показано, что, вводя поверхностно активные композиции совместно с модифицирующими наночастицами в жидкометаллическую ванну металла, можно эффективно обеспечить гомогенное распределение наночастиц в объеме металла, что способствует формированию структурной и химической однородности в затвердевшем металле и повышению качества покрытия. Проведены экспериментальные исследования возможности индукционной наплавки деталей из низкоуглеродистых сталей при использовании шихты с добавками нанодисперсного порошка (НП) ферросилиция. Установлено, что добавка НП всего 0,05% по массе обеспечивает более 60% прироста микротвердости наплавленного слоя при этом обеспечивается наибольшая его износостойкость. Экспериментально установлено, что применение наномодифицирующих соединений (TiN, Y₂O₃), наносимых на обрабатываемую лазерным лучом поверхность стали в количестве менее 0,1 % по массе, находящихся в интерметаллидной матрице AlNi, позволяет увеличить твердость поверхностного слоя в 2 – 2,5 раза, а износостойкость – в 1,4 по сравнению с исходным металлом. Глубина проплавленного слоя составляет ~ 2 мм. Новизна решения заключается в применении наноструктурированных композиций, содержащих нанодисперсные тугоплавкие соединения в интерметаллической матрице. Проведены численное и экспериментальное исследования температурного поля, структуры и свойств неразъемных соединений титан – сталь 12Х18Н10Т, полученных лазерной сваркой с использованием промежуточной медной вставки и нанопорошковых добавок. Установлено, что использование медной вставки позволяет получать достаточно прочное неразъемное соединение с прочностью на разрыв σв = 335 МПа. Ввод в сварочную ванну нанопорошкового модификатора TiN+Y₂O₃+Cr в количестве менее 0,1% по массе увеличивает это значение до σв = 375 МПа. Показано удовлетворительное согласие результатов численного моделирования с данными физического эксперимента. Наномодифицирование в технологии лазерной сварки трудносвариваемых металлов с промежуточной вставкой нигде ранее не применялось. Экспериментально показана возможность существенно повысить прочностные свойства многослойного покрытия стали с применением специально подготовленных наноразмерных тугоплавких частиц TiN, Y₂O₃ при лазерной наплавке композиционного порошка ПС12-НВК 0-1 с упрочняющей WC-фазой. Установлено, что максимальная износостойкость модифицированного покрытия, полученного с 0,1% по массе наномодификатора в композиционной смеси, почти в 2 раза превышает износостойкость покрытия без наномодифицирующей добавки. Результаты по модификации поверхностей породоразрушающих импульсных машин с помощью высокоэнергетических воздействий включены в коллективную монографию «Повышение эффективности и долговечности импульсных машин для сооружения протяженных скважин в породных массивах». Применение модификаторов в виде тугоплавких нанопорошков открывает новые технологические возможности существенного повышения эксплуатационной и конструкционной прочности деталей при их обработке высококонцентрированными источниками энергии.