Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Изучены особенности химического и структурно-фазового состава межфазной зоны алмаз-металл, образованной в процессе термодиффузионной металлизации алмаза порошками хрома, титана, железа, никеля и кобальта при одинаковом температурно-временном режиме работы вакуумной печи, соответствующем спеканию алмазосодержащей WC-Co-матрицы c пропиткой медью. Методами растровой электронной микроскопии, рентгеноспектрального, рентгенофазового анализа и спектроскопии комбинационного рассеяния показано, что в процессе термодиффузионной металлизации хромом и титаном на поверхности алмаза формируется металлизированное покрытие, состоящее из смеси фаз карбидов, металлов и графита. Незначительное содержание образований графита и их прерывистый характер расположения в межфазной зоне алмаз-металл обеспечивает прочное сцепление металлизированного покрытия с алмазом через карбиды соответствующих металлов. При термодиффузионной металлизации алмаза железом на межфазной зоне алмаз-металл также происходит образование промежуточного слоя, прочно сцепленного с алмазом. Промежуточный слой имеет сложный структурно-фазовый состав, включающий смесь из фаз железа, твердого раствора углерода в железе и графита. Выдвинуто предположение, что промежуточный слой на поверхности алмаза может быть сформирован при застывании жидкой фазы эвтектического состава, появляющейся в результате плавления контактных пар алмаз-железо. Образцы алмаз-никель и алмаз-кобальт при заданных в эксперименте условиях нагрева вызывают интенсивную каталитическую графитизацию алмаза с образованием на его поверхности многочисленных следов эрозии. Наблюдаемое слабое адгезионное взаимодействие этих металлов с алмазом обусловлено, вероятно, высокими значениями температуры плавления эвтектик Ni-C и Со-С, что не позволяет металлам активно реагировать с алмазом при заданных экспериментальных условиях.

В качестве объекта исследования в данной работе использовали двухфазный (a + b)-титановый сплав ВТ23 в состоянии поставки. Была проведена предварительная термическая обработка образцов при разных значениях температуры, включающая в себя отжиг, закалку при различных значениях температуры и последующее охлаждение в воде, с целью получения различной стабильности b-фазы. Методами оптической микроскопии, рентгенофазового анализа, механических испытаний изучена структура, фазовый состав и механические свойства образцов двухфазного титанового сплава ВТ23 с различной стабильностью β-фазы. Определены параметры кубической решетки b-фазы после различных режимов термической обработки, установлена зависимость периода решетки от температуры закалки из-за изменения системы легирования. Результаты проведенных при комнатной температуре испытаний образцов данного сплава на одноосное растяжение и ударный изгиб показали, что повышение температуры закалки с 800 до 860 °С приводит к росту характеристик прочности, пластичности, ударной вязкости и работы распространения трещины. Методами инструментированных ударных испытаний показано влияние повышения температуры закалки на вид диаграммы нагружения и характеристики значений ударной вязкости. Фрактографическое исследование поверхности изломов образцов сплава ВТ23 после ударных испытаний показало, что наблюдаемое изменение вида диаграмм нагружения хорошо согласуется со сменой механизма разрушения и, в частности, с устранением межзеренного строения излома ударных образцов после повышения температуры закалки до 860 °С, способствующего дестабилизации b-фазы по отношению к деформационному мартенситному превращению. Установлено, что рост трещины в образцах с метастабильной b-фазой происходит по границам мартенситных пластин и их пачек.

Описаны технологические особенности механической обработки полимерных композиционных материалов на примере распространенной и востребованной промышленностью технологической операции - сверления. Технологические особенности заключаются в затруднении получения высокого качества обработанных поверхностей полимерных композиционных материалов (отсутствие распушенности, расслоений на входе и выходе инструмента, требуемых параметров шероховатости), низкой производительности, а также в малой стойкости режущего инструмента. Рассмотрены пути повышения эффективности сверления полимерных композиционных материалов за счет искусственно накладываемых вибраций различных диапазонов: низкочастотных, высокочастотных и ультразвуковых. Приведен обзор возможных эффектов от комбинированного ультразвукового сверления полимерных композиционных материалов, когда на схему традиционного сверления накладывают колебания в ультразвуковом диапазоне. Наиболее значимым замеченным эффектом при ультразвуковом сверлении является снижение силовых факторов, т.е. существенное снижение (до 80 %) сил резания, что обусловливает высокое качество обработки полимерных композиционных материалов. Природа такого снижения сил резания до сих пор в литературе не раскрыта, кроется в вибрационной механике и переменных контактах режущего инструмента и заготовки. Записаны законы ультразвуковых колебаний в виде уравнений гармонических колебаний. Для сверления полимерных композиционных материалов выбраны амплитуды от 15 до 30 мкм в зависимости от обрабатываемых диаметров отверстий, а также рекомендованы частоты для наложения 20 и 50 кГц. Созданы предпосылки для совместного научного проекта на базе двух университетов: Пермского национального исследовательского политехнического университета и Института металлорежущих станков Штутгартского университета - для исследования ультразвукового сверления.

Применена модифицированная методика с получением зоны внутреннего окисления для выявления действительного зерна после высокотемпературных нагревов и различного времени выдержки. Необходимость модифицирования методики выявления границ действительного зерна аустенита заключается в том, что применение методов выявления зерна аустенита по ГОСТ 5639 не всегда приносит положительный результат, особенно методов химического травления. Проведен анализ зеренной структуры сталей с системой легирования Х2Г2С2МФ после нагрева на температуры от 900 до 1200 °С. Проанализировано влияние времени выдержки (15, 30 и 60 мин) на рост аустенитного зерна при каждом значении температуры аустенитизации. Вычислены средние размеры аустенитного зерна и определены значения температуры рекристаллизации аустенита для каждой стали, что является неотъемлемой частью для назначения режимов термической обработки, связанных с непрерывным охлаждением или изотермической обработкой металлических изделий в условиях производства. После различной выдержки при каждом значении температуры аустенитизации проведен сравнительный анализ двух методик по определению среднего размера зерна: методик определения размера зерна с помощью программного обеспечения Olympus Stream Motion 1.8 и с помощью анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел SIAMS 700. SIAMS 700 в настоящее время является довольно распространенной и востребованной программой, предназначенной для различного количественного анализа структур металлических материалов. Анализатор фрагментов микроструктуры твердых тел устанавливается в лаборатории на базе различных предприятий и университетов. Программное обеспечение Olympus Stream Motion 1.8 поставляется в связке со световым микроскопом Olympus GX-51 и также может быть задействовано при расчете среднего размера действительного зерна аустенита. Показано, что экономно-легированные среднеуглеродистые конструкционные стали системы легирования Х2Г2С2МФ являются наследственно мелкозернистыми. Определено, что только при нагреве выше 1150 °С начинается резкий рост зерна, однако средний размер действительного зерна аустенита находится в пределах 50-60 мкм.

Исследована динамика циркуляционного переводника, применяющегося для укрепления стенок скважины в процессе бурения. Рассмотрена конструкция и принцип функционирования переводников в процессе их эксплуатации. Выделены основные этапы работы переводника. Дано описание каждого этапа и представлены соответствующие расчетные схемы, в которых учтены геометрические, силовые и эксплуатационные параметры системы. С учетом принятых допущений построены математические модели, представленные в виде совокупности соотношений, характеризующих механические и гидродинамические процессы функционирования переводника. В расчет введены условия, накладывающие эксплуатационные, технологические и конструктивные ограничения на режимы каждого из этапов его работы. При принятых допущениях определено значение критического давления, необходимого для продавливания шара через седло втулки конструкции. Установлены соотношения, связывающие это давление с геометрическими характеристиками шара. Приведен порядок расчета режима циркуляции тампонирующей жидкости или бурового раствора при открытии боковых отверстий. Представлена методика получения соотношений для определения давления на стояке, необходимого для обеспечения требуемого расхода бурового насоса. Для каждого этапа работы циркуляционного переводника приведена характеристика алгоритмов и порядок численного моделирования динамики рассмотренной конструкции. Сформирован программный модуль для реализации решения полученных уравнений. По результатам проведенного математического моделирования выявлены особенности динамических явлений в процессе работы циркуляционного переводника. Получены числовые значения характеристик системы, влияющих на ее динамику путем варьирования конструкторско-технологическими параметрами переводника. Результаты расчетов сформированы в виде таблиц и графиков. Ряд из них представлен в статье в виде соответствующих диаграмм.

Описаны экспериментальные исследования многослойной электронно-лучевой наплавки проволочного материала. Был произведен экспериментальный подбор режимов электронно-лучевой наплавки проволочного материала. Оценка режимов производилась путем визуального контроля процесса и результата наплавки. Были исследованы режимы электронно-лучевой наплавки со следующими технологическими приемами: кольцевая осцилляция электронного луча и различные режимы фокусировки при статичном положении электронного луча, подача присадочной проволоки в расплавленную ванну, подача присадочной проволоки над зоной наплавки. Посредством изменения режимов фокусировки было исследовано несколько характерных положений фокуса электронного луча: ниже поверхности подложки, на поверхности подложки, между уровнем присадочной проволоки и поверхностью подложки, на уровне присадочной проволоки, выше уровня присадочной проволоки. Кроме того, было исследовано влияние позиционирования присадочной проволоки на качество наплавляемого валика. Была исследована подача проволоки в зону наплавки под углом 45°-60° к поверхности и горизонтальная подача проволоки над зоной наплавки. В ходе эксперимента были использованы различные варианты горизонтальной подачи проволоки: спереди, сбоку, сзади. В заключительной части экспериментальных исследований была выполнена многослойная наплавка с использованием присадочной проволоки ER308LSi диаметром 0,8 мм на пластину из нержавеющей стали толщиной 13 мм. Был получен образец кольцевой наплавки, состоящий из четырех слоев, высотой 3 мм. При этом два слоя были получены с точным позиционированием присадочной проволоки, один слой со смещением проволоки относительно оси наплавляемого валика в одну сторону и один слой со смещением в другую сторону.