Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии
Представлены результаты экспериментальных исследований свойств покрытий циркониевых сплавов, полученных при различных давлениях в вакуумной камере осаждением из эрозионной плазмы кальциетермического циркониевого катода вакуумно-дугового разряда. Получены данные по стойкости сплавов и взаимосвязи мик...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110762 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии / В.И. Коваленко, В.Г. Маринин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 77-80. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860261441639022592 |
|---|---|
| author | Коваленко, В.И. Маринин, В.Г. |
| author_facet | Коваленко, В.И. Маринин, В.Г. |
| citation_txt | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии / В.И. Коваленко, В.Г. Маринин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 77-80. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Представлены результаты экспериментальных исследований свойств покрытий циркониевых сплавов, полученных при различных давлениях в вакуумной камере осаждением из эрозионной плазмы кальциетермического циркониевого катода вакуумно-дугового разряда. Получены данные по стойкости сплавов и взаимосвязи микротвердости покрытий с их эрозионной стойкостью при микроударном воздействии в зоне кавитации. Установлено влияние параметров нанесения покрытий и соответственно их структуры на характер этой взаимосвязи.
Подано результати експериментальних досліджень властивостей покриттів цирконієвих сплавів, одержаних при різних тисках азоту в вакуумній камері із ерозійної плазми кальцієтермічного цирконієвого катоду при вакуумно-дуговому розряді. Одержано дані по стійкості сплавів та взаємозв’язку між мікротвердістю покриттів з їх опором ерозії за мікроударів при дії кавітації. Встановлено вплив параметрів нанесення покриттів на характер взаємозв’язку та їх структуру.
Results of experimental researches of properties of the coating zirconium alloy received at various pressure in the vacuum chamber by sedimentation from erosive plasma of calcium-reduced zirconium of the cathode during a vacuum-arc discharge are submitted. The data on interrelation of microhardness of coating and their erosive resistance microimpact under the action of cavitation are received. It set influence of parameters of drawing of coatings on character of their interrelation and structure of coatings.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:55:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 620.197.16:620.197.3
ПРОЧНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЦИРКОНИЕВЫХ
СПЛАВОВ И ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ
ПРИ МИКРОУДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
В.И. Коваленко, В.Г. Маринин
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г.Харьков, Украина
Представлены результаты экспериментальных исследований свойств покрытий циркониевых сплавов,
полученных при различных давлениях в вакуумной камере осаждением из эрозионной плазмы кальциетер-
мического циркониевого катода вакуумно-дугового разряда. Получены данные по стойкости сплавов и взаи-
мосвязи микротвердости покрытий с их эрозионной стойкостью при микроударном воздействии в зоне кави-
тации. Установлено влияние параметров нанесения покрытий и соответственно их структуры на характер
этой взаимосвязи.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что микроударное нагружение поверх-
ности твердого тела является специфическим видом
и реализуется при воздействии кавитации или
столкновении с поверхностью капель влаги,
твердых частиц, движущихся со скоростями, превы-
шающими сотни метров за секунду. При этом в по-
верхностном слое в зоне контакта развиваются зна-
чительные напряжения, достигающие по величине
иногда предела прочности или текучести материала.
Они характеризуются локальностью, многократно-
стью повторения, стохастичностью, кратковремен-
ностью воздействия. В результате поверхность мате-
риала разрушается и величина эрозии зависит как от
условий контакта, так и свойств материала. По-
скольку до настоящего времени однозначной коли-
чественной связи между величиной разрушения и
характеристиками материала, обеспечивающими
максимальное сопротивление эрозии, не установле-
но, то возникает необходимость в проведении экспе-
риментальных измерений для каждого конкретного
случая, когда реализуется эрозия при микроударном
воздействии.
В данной работе представлены результаты изме-
рения величины эрозии, обусловленной кавитацией,
йодидного циркония, сплавов циркония с ниобием и
покрытий, полученных из эрозионных потоков каль-
циетермического циркониевого катода вакуумно-ду-
гового разряда при различных давлениях газа в ва-
куумной камере.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА
Микроударное нагружение поверхности образ-
цов реализовано в области развитой кавитации, со-
здаваемой на установке, описанной в работах [1 – 3].
Сигнал от генератора ультразвуковых колебаний
УЗГ подавали на магнитострикционный преобразо-
ватель, механически соединенный с излучателем
экспоненциального профиля. Под торцом излучате-
ля возникала зона с развитой кавитацией, в которую
помещали образцы на расстоянии 0,55 мм от по-
верхности излучателя. Амплитуду колебаний торца
концентратора устанавливали равной (30±2) мкм, а
частоту – 20 кГц. Разрушение образцов измеряли
гравиметрическим методом. Точность измерения ве-
совых потерь 0,015 мг.
По экспериментальным данным строили кинети-
ческие кривые в координатах «весовые потери-вре-
мя кавитации». Среднюю скорость разрушения
определяли по углу наклона касательной к кинети-
ческой кривой на участке, соответствующем линей-
ной или близкой к ней зависимости.
Абразивный износ исследовали по схеме плос-
кость-диск. На плоские образцы нанесено покрытие,
а диск изготовлен из материала с жестко закреплен-
ными абразивными частицами. Скорость движения
поверхности диска, контактирующей с плоскостью
образца, 4,38 м/с, нагрузка на образец 2,2 Н. Микро-
твердость образцов измеряли на приборе ПМТ-3
при нагрузке 0,49 Н, а шероховатость – на профило-
метре А-ІІ модели 283.
Структуру образцов изучали на металлографиче-
ских шлифах с помощью световой микроскопии, а
рентгеноструктурные исследования покрытий про-
ведены на дифрактометре ДРОН 4-07 со сцинтиля-
ционным счетчиком в излучении CuKα, по рентгено-
оптической схеме Брэгга-Брентано.
Исследованы образцы из йодидного циркония,
йодидного переплавленного электронным пучком в
вакууме 1,33⋅10-3 Па и сплавов Zr+1%Nb,
Zr+2,5%Nb. Образцы покрытий получены из эро-
зионных потоков кальциетермического циркониево-
го катода (ТУ 05.20.115-91) вакуумно-дугового раз-
ряда при двух различных вакуумных условиях. Пер-
вая серия получена при постоянном давлении в ва-
куумной камере 1,33⋅10-3 Па, токе дуги 130 А, отри-
цательном потенциале на подложке до 200 В. Во
второй серии покрытия осаждали при токе дуги
115 А, отрицательном потенциале на подложке
100 В и изменяющемся давлении от 1,33⋅10-2 до
1,33 Па.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.77 – 80
77
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.1 показані типичные зависимости средней
глубины разрушения некоторых образцов от време-
ни воздействия кавитации.
0
5
10
15
0 1 2 3 4
время, ч
h,
м
км
1
2
3
4
5
6
Рис.1. Зависимость средней глубины разрушения (h)
от времени воздействия кавитации:
1, 2 – Zr йодидный неотожженный и отожженный
(значения уменьшены в 5 и 7 раз соответственно);
3,5,6 – Zr-покрытия, температура осаждения 380,
570, 780 оС соответственно;
4 – сплав Zr+2,5%Nb
Глубины разрушения определены по результатам
измерения весовых потерь для каждого фиксирован-
ного времени кавитационного воздействия. Из пред-
ставленных кинетических кривых вычислены скоро-
сти разрушения различных образцов, а затем по со-
отношению
i
k
h V
VZ 0= определена их стойкость к
разрушению.
В использованном соотношении Vi – скорость
разрушения образца, V0 – скорость разрушения эта-
лона (V0=1 мкм/ч). Значения стойкости образцов
иодидного циркония до и после отжига в течение 3
ч при температуре 500 оС в вакууме 1,33⋅10-3 Па рав-
ны 0,018 и 0,0196 соответственно. Отжиг при тех же
условиях йодидного циркония, переплавленного
электронно-лучевым способом в вакууме
1,33⋅10-3 Па, практически не изменяет его стойкость,
она равна 0,02. Сплав Zr+2,5%Nb имеет стойкость в
10 раз более высокую ( 2,0=k
hZ ), что обусловлено
характером разрушения, особенности которого по-
казаны на рис.2. Видно, что в благоприятно ориен-
тированных по направлению к действующей нагруз-
ке зернах йодидного циркония за очень короткий
промежуток времени происходит накопление дефек-
тов в виде полос скольжения, и разрушение проис-
ходит вблизи этих дефектов. В сплаве Zr+2,5%Nb
дефекты и повреждения возникают вблизи выделе-
ний β-ниобиевой фазы и наблюдаются через более
длительное время. Разрушение в первую очередь
обусловлено полным удалением β-ниобиевой фазы.
а б
Рис.2 Микрофотографии зон разрушения:
а - йодидного циркония после 500 с;
б - сплава Zr+2,5%Nb после 1500 с
Данные по стойкости первой серии покрытий в
зависимости от микротвердости и температуры
подложки при их осаждении приведены на рис.3.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 200 400 600 800
температура, оС
С
то
йк
ос
ть
, Z h
k
1 2 3
1
2
микротвердость, ГПа
Рис.3 Зависимость стойкости ( k
hZ ) покрытий от:
1 - температуры подложки; 2 - микротвердости
Видно, что вместо ожидаемого монотонного
уменьшения k
hZ с ростом температуры наблюдает-
сяболее сложная зависимость. Максимумы на кри-
вой, очевидно, обусловлены динамическим дефор-
мационным старением. По данным работы [4] при
измерении температурной зависимости наблюдается
увеличение микротвердости циркония в интервале
температур 340…360 и 550…570 оС при наличии в
нем соответственно кислорода и углерода. Наличие
значительных количеств примесных атомов в по-
крытиях, полученных в данных экспериментальных
условиях, подтверждают оже-спектрограммы, одна
из которых приведена на рис.4.
Расчеты температур, достаточных для повыше-
ния диффузионной подвижности примесных атомов
до уровня скорости движения дислокаций при реа-
лизуемой скорости пластической деформации, дают
значения, близкие к наблюдаемым эксперименталь-
но. Это указывает на то, что процесс контролирует-
ся скоростью диффузии примесных атомов в поля
напряжений дислокаций, по-видимому, по модели
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.77 – 80
78
Коттрела-Харпера [5]. Отметим также, что получен-
ные покрытия можно рассматривать как металл,
претерпевший значительную пластическую дефор-
мацию при относительно высокой температуре, и
поэтому возможно аномальное поведение при ком-
натной температуре, как это имеет место для литых
сталей или сталей после горячей обработки давлени-
ем [6].
Рис.4. Оже-спектр покрытия
Увеличение давления азота (pN) в вакуумной ка-
мере при нанесении покрытий приводит к росту в
покрытии числа растворенных атомов внедрения.
При pN ~ 4⋅10-2 Па в покрытии формируется новая
фаза ZrNx, и микротвердость возрастает до величи-
ны более 30 ГПа, а затем с увеличением давления до
pN ~ 6⋅10-1 Па микротвердость уменьшается до
Нµ~ 20 ГПа. Взаимосвязь между k
hZ и Нµ иллюстри-
рует рис. 5.
С достаточно хорошим приближением она может
быть представлена аналитическим выражением
)exp( 2
2 µ
µ
HB
H
CZ k
h ⋅−⋅= , где В и С – постоянные, зна-
чения которых определяются выбором единиц изме-
рения микротвердости. Так, например, при измере-
нии Нµ в гигапаскалях значения В и С равны 10-3 и
4,4 соответственно.
Абразивная стойкость ( a
mZ ) этих покрытий, вы-
численная по отношению скоростей потери массы
покрытия и эталона (Vэ = 1 мг/ч), как видно, изменя-
ется практически по линейному закону, убывая с ро-
стом микротвердости (см. рис.5, кр.2).
Влияние давления азота в вакуумной камере в
процессе нанесения покрытий на стойкость к воз-
действию кавитации представлено на рис.6. Для
этих покрытий измерены также параметры решетки.
Видно, что давление азота в процессе конденса-
ции покрытий определяет их свойства. Так, при дав-
лениях ниже 1⋅10-3 Па покрытие состоит из металли-
ческого циркония с ГПУ-решеткой (а0 = 3,232 Å, с0 =
5,148 Å), различного количества атомов внедрения и
характеризуется невысоким значением k
hZ (рис. 6,
7)
0
0,3
0,6
20 28 36 Нµ , ГПа
a
m
k
h ZZ ,
1
2
Рис.5. Зависимость кавитационной и абразивной
стойкости ( k
hZ , a
mZ ) от микротвердости
покрытий Нµ
0
0,4
0,8
10-3 10-2 10-1 100
давление, Па
k
hZ
Рис.6. Зависимость кавитационной стойкости ( k
hZ
) покрытия от давления азота в вакуумной камере
при конденсации покрытий
С увеличением давления до 1⋅10-2 Па покрытие
представляет собой нитрид циркония с текстурой
(220), параметром решетки а0 = 4,610 Å и максиму-
мом стойкости к воздействию кавитации. При дав-
лении, близком к 5⋅10-2 Па, покрытие формируется с
текстурой (111) и фиксируются слабые линии ZrO2.
Эти покрытия имеют малую стойкость к воздей-
ствию кавитации. Дальнейшее увеличение давления
до 1,33 Па приводит к осаждению покрытий нитри-
да циркония с параметром решетки 4,6194 Å, силь-
ной текстурой (311), значениями стойкости k
hZ ,
близкими к величине 0,27.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.77 – 80
79
Рис.7. Фрагменты CuKα-дифрактограмм покры-
тий, полученных при давлениях: а – 1,33⋅10-3 Па,
б - 1,33 Па
Таким образом, в результате проведенных иссле-
дований получены данные о стойкости в условиях
воздействия кавитации приповерхностных слоев йо-
дидного циркония, сплавов циркония с ниобием, ва-
куумно-дуговых покрытий, полученных при различ-
ных давлениях азота в вакуумной камере. Данные
могут быть использованы при создании барьерных
покрытий на элементах установок синтеза для защи-
ты сварных соединений деталей из сплавов цирко-
ния.
ЛИТЕРАТУРА
1.В.С.Кириллов, В.И.Коваленко, В.Г.Маринин,
И.Т.Остапенко, В.П.Подтыкан. Эрозия карбида
бора при воздействии кавитации//Сверхтвердые
материалы. 1983, №1, с.21 – 26.
2.В.И.Коваленко, В.Г.Маринин, И.Т.Остапенко.
Свойства высокотвердых материалов на основе
неметаллических соединений //Там же. 1984, №5,
с.23 – 25.
3.В.І.Коваленко, В.Г.Маринін. Обладнання для до-
слідження ерозії покриттів при мікро ударному
діянні // Вопросы атомной науки и техники, серия
«Физика радиационных повреждений и радиаци-
онное материаловедение», 1998, №5, с.83 – 85.
4. Цирконий и его сплавы. /Под редакцией В.С.Еме-
льянова и А.И.Евстюхина. М.: «Энергоиздат»,
1982, 96с.
5.К.В.Попов. Динамическое деформационное старе-
ние металлов и хрупкость водородного типа. Но-
восибирск: «Наука», 1969, 127 с.
6.Э.Гудремон. Специальные стали. М.: «Металлур-
гиздат»,1959, т.1.
СТІЙКІСТЬ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ ЦИРКОНІЄВИХ СПЛАВІВ ТА ВАКУУМНО-
ДУГОВИХ ПОКРИТТІВ ПРИ ДІЇ МІКРОУДАРІВ
В.І. Коваленко, В.Г. Маринін
Подано результати експериментальних досліджень властивостей покриттів цирконієвих сплавів,
одержаних при різних тисках азоту в вакуумній камері із ерозійної плазми кальцієтермічного цирконієвого
катоду при вакуумно-дуговому розряді. Одержано дані по стійкості сплавів та взаємозв’язку між
мікротвердістю покриттів з їх опором ерозії за мікроударів при дії кавітації. Встановлено вплив параметрів
нанесення покриттів на характер взаємозв’язку та їх структуру.
STRENGTH OF NEAR-SURFACE LAYERS OF ZIRCONIUM ALLOYS AND VACUUM-ARC
DEPOSITED COATINGS UNDER THE ACTION OF MICROIMPACT
V.I.Kovalenko, V.G.Marinin
Results of experimental researches of properties of the coating zirconium alloy received at various pressure in
the vacuum chamber by sedimentation from erosive plasma of calcium-reduced zirconium of the cathode during a
vacuum-arc discharge are submitted. The data on interrelation of microhardness of coating and their erosive resis-
tance microimpact under the action of cavitation are received. It set influence of parameters of drawing of coatings
on character of their interrelation and structure of coatings.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.77 – 80
80
В.И. Коваленко, В.Г. Маринин
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г.Харьков, Украина
ВВЕДЕНИЕ
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рис.4. Оже-спектр покрытия
ЛИТЕРАТУРА
В.І. Коваленко, В.Г. Маринін
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110762 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:55:46Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коваленко, В.И. Маринин, В.Г. 2017-01-06T10:11:23Z 2017-01-06T10:11:23Z 2008 Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии / В.И. Коваленко, В.Г. Маринин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 77-80. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110762 620.197.16:620.197.3 Представлены результаты экспериментальных исследований свойств покрытий циркониевых сплавов, полученных при различных давлениях в вакуумной камере осаждением из эрозионной плазмы кальциетермического циркониевого катода вакуумно-дугового разряда. Получены данные по стойкости сплавов и взаимосвязи микротвердости покрытий с их эрозионной стойкостью при микроударном воздействии в зоне кавитации. Установлено влияние параметров нанесения покрытий и соответственно их структуры на характер этой взаимосвязи. Подано результати експериментальних досліджень властивостей покриттів цирконієвих сплавів, одержаних при різних тисках азоту в вакуумній камері із ерозійної плазми кальцієтермічного цирконієвого катоду при вакуумно-дуговому розряді. Одержано дані по стійкості сплавів та взаємозв’язку між мікротвердістю покриттів з їх опором ерозії за мікроударів при дії кавітації. Встановлено вплив параметрів нанесення покриттів на характер взаємозв’язку та їх структуру. Results of experimental researches of properties of the coating zirconium alloy received at various pressure in the vacuum chamber by sedimentation from erosive plasma of calcium-reduced zirconium of the cathode during a vacuum-arc discharge are submitted. The data on interrelation of microhardness of coating and their erosive resistance microimpact under the action of cavitation are received. It set influence of parameters of drawing of coatings on character of their interrelation and structure of coatings. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии Стійкість поверхневих шарів цирконієвих сплавів та вакуумно-дугових покриттів при дії мікроударів Strength of near-surface layers of zirconium alloys and vacuum-arc deposited coatings under the action of microimpact Article published earlier |
| spellingShingle | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии Коваленко, В.И. Маринин, В.Г. Физика и технология конструкционных материалов |
| title | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии |
| title_alt | Стійкість поверхневих шарів цирконієвих сплавів та вакуумно-дугових покриттів при дії мікроударів Strength of near-surface layers of zirconium alloys and vacuum-arc deposited coatings under the action of microimpact |
| title_full | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии |
| title_fullStr | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии |
| title_full_unstemmed | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии |
| title_short | Прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии |
| title_sort | прочность поверхностных слоев цирконииевых сплавов и вакуумно-дуговых покрытий при микроударном воздействии |
| topic | Физика и технология конструкционных материалов |
| topic_facet | Физика и технология конструкционных материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110762 |
| work_keys_str_mv | AT kovalenkovi pročnostʹpoverhnostnyhsloevcirkoniievyhsplavovivakuumnodugovyhpokrytiiprimikroudarnomvozdeistvii AT marininvg pročnostʹpoverhnostnyhsloevcirkoniievyhsplavovivakuumnodugovyhpokrytiiprimikroudarnomvozdeistvii AT kovalenkovi stíikístʹpoverhnevihšarívcirkoníêvihsplavívtavakuumnodugovihpokrittívpridíímíkroudarív AT marininvg stíikístʹpoverhnevihšarívcirkoníêvihsplavívtavakuumnodugovihpokrittívpridíímíkroudarív AT kovalenkovi strengthofnearsurfacelayersofzirconiumalloysandvacuumarcdepositedcoatingsundertheactionofmicroimpact AT marininvg strengthofnearsurfacelayersofzirconiumalloysandvacuumarcdepositedcoatingsundertheactionofmicroimpact |