Воздействие ультразвука на формирование соединений одно- и разнородных металлов в твердой и жидкой фазах

Целью работы является получение новых знаний об эффектах, проявляющихся в процессе воздействия мощных ультразвуковых колебаний на твердые тела в условиях высокоскоростного соударения; низкотемпературную электродуговую плазму; металлические расплавы, содержащие тугоплавкие частицы, что послужит фундаментальной основой создания новых и существенного улучшения свойств известных композиционных металлических материалов. Показано, что наибольшее влияние на изменение структуры и свойств свариваемых взрывом соединений оказывает частота ультразвуковых колебаний. Воздействие на металл ультразвуковых колебаний приводит к снижению предела текучести, вследствие чего изменяются свойства поверхностных слоев металла и условия формирования соединения соударяемых пластин при сварке взрывом. В свою очередь тепловой эффект деформации прямо связан c пределом текучести материала – более пластичные материалы меньше нагреваются при одинаковом уровне деформации. Исходя из этого, воздействие акустических колебаний при сварке взрывом приводит к снижению тепловыделения в зоне соединения при схожих значениях деформации. Экспериментально доказано, что воздействие ультразвука при термической обработке сваренных взрывом композиций, не оказывая влияния на фазовый состав диффузионной зоны, формирующейся в результате протекания гетерогенных реакций на границе твердое тело – расплав алюминия, приводит к увеличению ее толщины на 15-40 % при частоте подводимых акустических колебаний 20,5 кГц и амплитуде 5-7 мкм. Расчетно–экспериментальным путем установлено, что при воздействии сфокусированного ультразвукового поля столб дуги контрагирует, причем наибольшее сжатие дуги происходит на расстоянии 1,5 мм от анода. Показано, что воздействие ультразвука приводит к уменьшению диаметра дуги в анодной области с 4,4 до 4,0 мм, в столбе с 4,8 до 4,2 мм, а вблизи катодной области диаметр увеличивается с 3,0 до 3,2 мм, что говорит об изменении характера катодного потока заряженных частиц в этой области. Установлено, что воздействие сфокусированного ультразвукового поля приводит к повышению напряжения дугового разряда, причем прирост, наблюдаемый на всех режимах сварки, составляет от 0,9 до 1,4 В, что повышает тепловую мощность дуги. Установлено, что увеличение в разработанном наплавленном сплаве системы Fe-Cr-Ni-Mn-Mo-Ti-Nb-C содержания углерода с 1,2 до 2,8 масс.% приводит к изменениям структурно-фазового состава: увеличивается в 6 раз объемная доля карбидов (Cr,Fe,Mo,Mn)C, участвующих в формировании эвтектической аустенитно-карбидной матрицы сплава; снижается концентрация Mo и Cr в аустените, что сопровождается увеличением объемной доли высокотвердых карбидов типа (Ti,Nb,Mo)C размером 1…10 мкм и карбидов MoC размером 0,15…2 мкм. Структурные изменения в сплаве способствуют увеличению в 1,5 раза его твердости и стойкости к газоабразивному изнашиванию при температуре 600 °С, которая сопоставима с зарубежным высоколегированным промышленным аналогом 500Х23ГС2Б7М7ФВ2 (ESAB) при двукратно меньшей стоимости. Математическое моделирование температурных полей и гидродинамических потоков в реакционной зоне при наплавке позволили определить оптимальные технологические параметры введения в сварочную ванну присадочной проволоки, обеспечивающие ультразвуковую и металлургическую обработку металлического расплава. Установлено, что для модифицирования наплавленного сплава ультрадисперсными тугоплавкими частицами необходимо соблюдать расстояние между электродной и присадочной проволоками в диапазоне 0,34…0,47 от длины ванны. При подаче присадки со скоростями, обеспечивающими содержание в металле модификатора 0,4…0,5 масс.%, тугоплавкие частицы переносятся потоками расплава к фронту кристаллизации, минуя высокотемпературную область сварочной ванны, что снижает степень их диссоциации и повышает эффективность воздействия на кристаллизующийся металл.