Способ взрывной упрочняющей обработки металла заготовки частицами с теоретической прочностью в режиме сверхглубокого проникания Российский патент 2025 года по МПК C21D7/06 C22F3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области получения упрочнённых материалов, микролегированных потоком дисперсных порошковых частиц. Для формирования потока высокоскоростных частиц и разгона частиц применяется взрывной ускоритель. Применение-- энергии взрыва для упрочнения металлических материалов позволяет повышать их прочностные характеристики, формировать новые структурные элементы в объёме заготовки материала на гораздо большую глубину проникновения, недоступную иными способами. Данный метод раскрывает новые возможности для повышения и улучшения физико-механических характеристик за счёт использования основного принципа легирования материала - внедрение в структуру металлической заготовки порошковых элементов с повышенными параметрами прочности и твёрдости, внедрении элементов с заданными свойствами. Предлагается вводить в структуру металлических заготовок порошки элементов с теоретической прочностной характеристикой, которой обладают материалы с монокристаллической структурой, имеющие более высокую прочность чем структуры порошковые, прессованные.

Уровень техники

Имеются разработки метода ударно-волнового нагружения материалов потоком метаемых высокоскоростных порошковых частиц в режиме сверхглубокого проникания (СГП) с применением различных конструкционных исполнений зарядов взрывчатого вещества [Алексенцева С.Е., Кривченко А.Л.- Исследование особенностей обработки металлов и сплавов высокоскоростным потоком дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва физики кинетической импульсной энергии (передний фронт накопления импульса, на спаде работают частицы) канальных- зарядов и другими- динамическими методами. Самара: ГОУВПО "СамГТУ".- Вестник СамГТУ, №, Серия "Технические науки",2013.- C.71-78]. Взрывные методы реализуют сверхглубокое проникание порошковых дисперсных частиц в размерном интервале до 100 мкм в стальные образцы, при этом обеспечивается повышение прочностных характеристик материала.

Прототипом является взрывной метод обработки металлов потоком порошковых частиц в режиме сверхглубокого проникания частиц [Марукович Е.И., Ушеренко Ю.С., Ушеренко С.М. Динамическая модификация металлов. Минск: Беларуская навука, 2021.-153 с.]. Представляет собой метод динамического воздействия порошковых частиц на металлические преграды и заготовки в твёрдом агрегатном состоянии, позволяющий получать композиционные материалы.

Основные эффекты и особенности, возникающие при реализации динамического процесса сверхглубокого проникания частиц.

1. Обработка потоком высокоскоростных частиц за счёт энергии взрыва реализуется в интервале скоростей частиц 0.5 - 3 км/с.

2. Имеется зависимость глубины проникания микроударника от его исходного размера. Проникание частиц происходит на глубину, превосходящую их размер в сотни и тысячи раз.

3. Процесс сверхглубокого проникания реализуется только при воздействии организованного потока высокой плотности более 10³ кг/м³.

4. Критический размер проникающих частиц 10^-4 м. Проникание частиц с размерами более критического не наблюдаются.

5. По методике построения ударных адиабат давление соударения частиц с металлической матрицей превышает 15 ГПа.

6. Зафиксировано время взаимодействия потока высокоскоростных частиц, которое составляет около (2 - 7) 10^-5 с.

7. Общее число проникающих частиц в объёме заготовки по площади поперечного сечения составляет 10² - 10³ шт/мм. Процент проникших частиц от общей массы метаемых частиц находится в интервале 1 - 5%.

8. Частицы при соударениях в соответствии с режимом сверхглубокого проникания внедряясь на глубины в тысячи - десятки тысяч их исходных размеров, создают многочисленные канальные элементы структуры. Наблюдаемые размеры поперечного сечения микроканала составляет порядка 1 мкм.

9. Частицы при соударении создают зоны высокого давления. В локальных зонах давление достигает десятков килобар, интенсифицируя пластическую деформацию. Микроударники легируют поверхность каналов, внедряясь в зонах высокого и сверхвысокого давления материалы частиц, синтезируя в этих зонах новые химические соединения. Это обеспечивает повышение прочности материалов металлических заготовок на десятки процентов.

Данный метод не охватывает все возможности упрочнения динамической обработки материалов с применением потока высокоскоростных частиц в обычном диапазоне дисперсности и прочности в режиме сверхглубокого проникания.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагаемое изобретение - метод взрывной упрочняющей обработки материалов частицами с теоретической прочностью в режиме сверхглубокого проникания обеспечивает следующий технический результат: повышение прочностных характеристик обрабатываемого материала за счёт взрывного объёмного микролегирования элементами частиц с теоретической прочностью с дополнительным эффектом упрочняющего холодного наклёпа верхних слоёв металла заготовки, высокодинамичной ударной взрывной волной с изменением его кристаллической структуры, микроструктуры, изменения плотности дислокаций и т.д.

Технический результат достигается за счёт того, что в методе взрывной упрочняющей обработки материалов частицами с теоретической прочностью в режиме сверхглубокого проникания, используют взрывной ускоритель с применением энергонасыщенных материалов, который обеспечивает разгон и ударно-волновое метание высокоскоростного потока порошковых дискретных частиц с повышенными прочностными характеристиками, обеспеченными за счёт применения- в качестве частиц метаемого порошка монокристаллов с теоретической прочностью, которые проникая, реализуют сверхглубокое упрочняющее объёмное- микролегирование материала с дополнительным эффектом упрочняющего холодного наклёпа верхних слоёв металла заготовки, высокодинамичной ударной взрывной волной с изменением его кристаллической структуры, микроструктуры.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 и фиг.2 показаны формирования микроканалов.

На фиг.2 показано: 1 - область трека частицы и разрушения обрабатываемого материала, 2 - слой аморфизированный деструктурированный, 3 - область вихреобразной деформации, сформированной распространением ударных волн, 4 - сильнофрагментированная зона.

На фиг.3 показано проникание частицы циркония в технической меди с дроблением материала частицы.

Осуществление изобретения

Взрывной метод упрочняющей обработки материалов частицами с теоретической прочностью в режиме сверхглубокого проникания реализуется в интервале режимов давления соударения частиц 10-15 ГПа, дисперсность частиц до 100 мкм, плотность потока около 1 г/см³, скорость метаемых частиц 1-3 км/с. Данные режимы обеспечивают проникание частиц в объёме обрабатываемых металлических материалов на глубины, превышающие размер метаемых порошковых частиц на несколько порядков.

Упрочняющий эффект формируется в результате ряда условий - конструктивных особенностей и режимов метода обработки, получаемой структуры и микроструктуры обрабатываемых материалов в результате проникания частиц, физико-механических характеристик метаемых дискретных частиц.

Основные конструктивные схемы взрывных ускорителей частиц, используемых для реализации режима сверхглубокого проникания, являются: торцевое метание зарядом энергонасыщенного материала, метание канальными зарядами, применение установки с максимальным охватом площади обработки [Алексенцева С.Е., Кривченко А.Л. Исследование особенностей обработки металлов и сплавов высокоскоростным потоком дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва канальных зарядов и другими динамическими методами. Самара: ГОУВПО "СамГТУ". - Вестник СамГТУ,- №, Серия "Технические науки",2013.- C.71-78].

При взрывной обработке и метании частиц в режиме сверхглубокого проникания в обрабатываемом материале остаются треки после проникания частиц и в зоне проникания частиц формируются микроканалы (фиг.1, 2). После проникания микроканалы схлопываются, образуются продольные волокна вдоль направления проникания частиц (в сталях). В результате ударно-волнового воздействия и динамического проникания частиц пластическая деформация обрабатываемого металлического материала представляет волновые и ротационные процессы и уровни пространственно-упорядоченных структур. Зафиксировано измельчение структурных элементов материалов и образование дефектных структур. Возникают субфрагменты, двойники, полосы множественного скольжения. На фиг.2 показано: 1 - область трека частицы и разрушения обрабатываемого материала, 2 - слой аморфизированный деструктурированный, 3 - область вихреобразной деформации, сформированной распространением ударных волн, 4 - сильнофрагментированная зона.

В процессе динамического проникания частицы в обрабатываемом материале остаются элементы метаемых частиц (фиг.3), а также происходит структурное преобразование самих проникающих частиц. На фиг.3 показано проникание частицы циркония в технической меди с дроблением материала частицы. Квазипериодически повышается плотность дислокаций по глубине обрабатываемого материала, твёрдость и микротвёрдость.

Использованы порошки частиц для реализации сверхглубокого проникания являются W, Ti,- Ni, Cr, Zr,- износостойкие, твёрдые соединения - диборид титана TiB_2,- карбиды TiC, SiC. Применение метаемых частиц обусловлено различными задачами микролегирования - повышение износостойкости, стойкости при различных режимах эксплуатации, повышение прочности и твёрдости, увеличение пластичности и текучести и др. Основным направлением является обработка в режиме сверхглубокого проникания с повышением прочностных характеристик, что достигается практически при объёмном легировании различными видами порошковых частиц. В целом прочность и твёрдость материалов повышается относительно исходной в 1.2 - 1.4 раза. За счёт полученной примеси высокотвёрдых частиц в глубине до 100 мкм, соотношения долей и величины дисперсии можно подбирать меня характеристики обрабатываемой заготовки.

Данное изобретение для повышения прочности предлагает использовать материалы порошков с теоретической прочностью, т.е. порошковыми монокристаллами с идеальной кристаллической решёткой. Обычно упрочнение металлических материалов достигается за счёт увеличения микродефектов, в частности дислокаций, плотность которых достигает 10¹² см^-2 (это приводит к повышению трещинообразования). Монокристаллы имеют практически одинаковую плотность с поликристаллом и почти идеальную кристаллическую решётку, обладают плотностью дислокаций порядка 10⁴ см^-2, что снижает трещинообразование. При этом прочность увеличивается в десятки и сотни раз. Монокристаллы имеют высокую усталостную прочность. Кристаллы с идеальной кристаллической структурой имеют высокую криогенную стойкость. Монокристаллы имеют высокую химическую стойкость к окислителям и другие высокие физико-химические и механические свойства.

Так, вольфрам поликристаллический имеет прочность 0.3 ГПа и температуру плавления 3720 К - монокристалл вольфрама имеет прочность около 100 ГПа и температуру плавления 7000 К. Титан поликристаллический имеет прочность 0.9 ГПа и температуру плавления 1933 К - монокристалл титана имеет прочность около 50 ГПа и температуру плавления 3000 К.- Железо поликристаллическое имеет прочность 0.3 Гпа (сталь 1.2 ГПа) и температуру плавления 1860 К - монокристалл вольфрама имеет прочность около 18 ГПа и температуру плавления 2500 К [vlkfmov.livejournal.com - Fev.17^th,2016 at 9:40 РМ].

Взрывная обработка металлических материалов высокоскоростным потоком порошковых частиц с теоретической прочностью в режиме сверхглубокого проникания обеспечивает повышение упрочняющего эффекта, формирует новые композиционные материалы с повышенными прочностными характеристиками.

Изобретение относится к области получения упрочненных материалов, микролегированных потоком дисперсных порошковых частиц. Способ взрывной упрочняющей обработки металла заготовки частицами с теоретической прочностью в режиме сверхглубокого проникания включает использование взрывного ускорителя с применением энергонасыщенных материалов, который обеспечивает создание взрывной волны для разгона и ударно-волнового метания потока порошковых дискретных частиц дисперсностью до 100 мкм, при давлении соударения частиц 10-15 ГПа, плотности потока 1 г/см³ и скорости метаемых частиц 1-3 км/с, причем в качестве частиц используют частицы монокристаллов с теоретической прочностью, обеспечивающие сверхглубокое упрочняющее объемное микролегирование металла заготовки с дополнительным эффектом упрочняющего холодного наклепа верхних слоев металла заготовки с изменением его кристаллической структуры и микроструктуры. Технический результат заключается в повышении прочностных характеристик металла заготовки, формировании новых структурных элементов в объеме заготовки материала на гораздо большую глубину проникновения. 3 ил.

Способ взрывной упрочняющей обработки металла заготовки частицами с теоретической прочностью в режиме сверхглубокого проникания, включающий использование взрывного ускорителя с применением энергонасыщенных материалов, который обеспечивает создание взрывной волны для разгона и ударно-волнового метания потока порошковых дискретных частиц дисперсностью до 100 мкм, при давлении соударения частиц 10-15 ГПа, плотности потока 1 г/см³ и скорости метаемых частиц 1-3 км/с, отличающийся тем, что в качестве частиц используют частицы монокристаллов с теоретической прочностью, обеспечивающие сверхглубокое упрочняющее объемное микролегирование металла заготовки с дополнительным эффектом упрочняющего холодного наклепа верхних слоев металла заготовки с изменением его кристаллической структуры и микроструктуры.