549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Исследование вихревых зон в сварном шве, полученном при сварке взрывом фольги ниобия и пластины нержавеющей стали

И. Д. Кучумова

В работе представлены результаты исследований особенности структуры сварных соединений, полученных в процессе сварки взрывом нержавеющей стали и ниобия. Показано, что в результате сварки формируется высококачественное соединение. Межслойная граница имеет типичный для сварки взрывом волновой профиль. В локальных участках вдоль границы образуются расплавленные микрообъѐмы. В результате высокоскоростного охлаждения в этих участках формируется аморфная структура.

Ключевые слова: сварка взрывом, аморфная структура, ниобий, нержавеющая сталь

1. Введение

Существует множество способов получения биметаллических композиционных материалов, одним из них является сварка взрывом. Сварка осуществляется за счѐт метания одной из пластин на другую с использованием энергии, выделяющейся в процессе детонации взрывчатого вещества [1]. В точке контакта между свариваемыми пластинами достигаются высокие давления, которые обеспечивают образование плотного контакта между свариваемыми материалами. Прочность полученного биметалла чаще всего соответствует показателям наименее прочного из соединяемых металлов.

Вданной работе рассматривается возможность сварки взрывом тонкой фольги ниобия и пластины нержавеющей стали. Из-за высокой коррозионной стойкости, такого рода биметаллы могут быть использованы в биомедицине и химической промышленности. В то же время, информация о структуре сварных швов такого рода соединений отсутствует.

2.Методы и материалы

Вкачестве свариваемых металлов были использованы фольга ниобия размерами 50х50х0,1 мм и пластина нержавеющей стали размерами 70х70х3мм. В связи с малой толщиной пластины ниобия сварка осуществлялась под водой. При этом фольга из ниобия прикреплялась к ведущей пластине из нержавеющей стали толщиной 0,2 мм (рисунок 1). Данная технология использовалась ранее, например, в работе [2].

Полученный биметалл исследовался при помощи оптической микроскопии (микроскоп

CarlZeiss AxioObserver A1m), растровой электронной микроскопии (CarlZeissEVO 50 XVP) и

просвечивающей электронной микроскопии (TecnaiG2 20). Образцы, для исследования на оптическом микроскопе и растровом электронном микроскопе представляли собой поперечны шлифы, которые готовились по стандартной технологии: шлифование и полирование на алмазных суспензиях. Подготовка образцов для просвечивающего электронного микорскопа происходила в несколько этапов. На первом этапе из полученных образцов вырезали полуцилиндры диаметром ~3 мм, которые склеивались так, чтобы слой ниобия находился внутри.

521

Из полученных цилиндрических заготовок отрезались диски толщиной около 1 мм, которые механически утонялись на абразивных бумагах и установке Gatan Dimple Grinder до толщины менее 10 мкм. Финальная стадия подготовки осуществлялась при помощи метода ионного утонения. Элементный состав полученных материалов определялся при помощи метода энергодисперсионного микрорентгеноспектрального анализа (установка Oxford Instruments X-Axt). Для оценки механических свойств полученного материала использовался метод измерения микротвѐрдости по Виккерсу.

Рис. 1. Схема сварки взрывом

3. Результаты исследований

На рисунке 2 представлено поперечное сечение полученного биметалла. Сварной шов имеет волнообразную поверхность, типичную для сварки взрывом. На вершинах и впадинах волн образовались вихревые зоны (рисунок 3). Эти зоны представляют собой области, в которых происходило перемешивание двух материалов – ниобия и нержавеющей стали. Элементный состав этих зон представлен в таблице 1.

Таблица 1. Элементный состав вихревых зон

При исследовании вихревых зон на просвечивающем электронном микроскопе удалось установить, что материал в этих зонах имеет аморфную структуру (рисунок 4). Явление аморфизации металла встречается крайне редко. Чрезвычайно высокая скорость охлаждения (от нескольких сотен градусов в секунду до нескольких миллионов градусов в секунду) материала является главной причиной аморфизации. Значения скоростей, полученные при математическом моделировании процесса сварки взрывом, чаще всего, превышают 107 К/сек [3]. Исходя из полученных данных, явление аморфизации материала вихревых зон является весьма вероятным явлением.

При исследовании микротвѐрдости образцов, было установлено, что значения микротвердости вихревых зон превышает значения микротвердости исходных материалов (рисунок 5). Известно, что аморфные металлы (так называемые металлические стѐкла) отличаются значительно более высокой твѐрдостью по сравнению с кристаллическими материалами.

522

Рис. 2. Поперечное сечение сваренного взрывом образца

Рис. 3. Зоны перемешивания ниобия и нержавеющей стали на границе сваренных взрывом материалов

Рис. 4. Картина дифракции электронов, полученная с материала зоны перемешивания

523

Рис. 5. Распределение микротвѐрдости по сечению образца вблизи границы между ниобием и нержавеющей сталью

4.Заключение

Вработе показана возможность соединения ниобия и нержавеющей стали по технологии сварки взрывом. Полученный материал отличается высоким качеством и не содержит крупных дефектов. На границе между ниобием и нержавеющей сталью сформировались зоны перемешивания, материал которых имеет аморфную структуру, сформированную в результате высокой скорости охлаждения. Эффект аморфизации материала при сварке взрывом требует дальнейшего изучения.

Литература

1.Рябко Б. Я., Фионов А. Н. Криптографические методы защиты информации: учебное пособие для вузов. М.: Горячая линия–Телеком, 2005. 229 с.

2.Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом. 2-е изд., доп. и перераб. – Новосибирск: Наука, 1980.

3.Manikandan P., Hokamoto K., Deribas A.A., Raghukandan K., Tomoshige R. Explosive welding of Titanium/stainless steel by controlling energetic conditions, Materials Transactions, 47 (2006) 2049-2055.

4.Liu W.D., Liu K.X., Chen Q.Y., Wang J.T., Yan H.H., Li X.J. Metallic glass coating on metals plate by adjusted explosive welding technique. AppliedSurfaceScience2009; 255:9343-7

Кучумова И. Д.

Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск

524

Электронно-лучевая наплавка гафния на титан ВТ1-0

О. Э. Матц

В работе исследовались слои системы титан-гафний, полученные методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки на подложках из чистого титана. Показано, что использование технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки позволяет формировать на поверхности титановых сплавов бездефектные слои толщиной более 1,5 мм. Структура наплавленных слоѐв формируется в процессе быстрого охлаждения за счѐт отвода тепла в основной металл. Это приводит к формированию мартенситной морфологии поверхностного слоя. Установлено, что твѐрдость наплавленных слоѐв в 2 раза превышает твѐрдость основного металла.

Ключевые слова: электронно-лучевая наплавка, титан, гафний.

1.Введение

Внаши дни титановые сплавы являются наиболее востребованными материалами при производстве ортопедических имплантатов, а также применяются в таких отраслях техники как судо-, самолѐто- и ракетостроение, химическое машиностроение, энергетика. Применение сплавов титана обусловлено отличными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Наиболее перспективным поколением материалов являются сплавы титана, легированные нетоксичными тугоплавкими элементами такими как ниобий, тантал, гафний и другие. Двухкомпонентные сплавы титан-гафний рассматриваются для применения в биомедицине [1-3] в связи с их высокой прочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью, не уступающей титану. Тем не менее эти сплавы являются весьма дорогостоящими. Для снижения стоимости этих материалов предлагается альтернативных подход, который заключается в поверхностном легировании титановых пластин гафнием, выполняемый методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки. За счѐт высоких значений абсолютной мощности используемых ускорителей, а также фокусировки электронного луча, метод вневакуумной электронно-лучевой обработки позволяет расплавлять материалы с высокой температурой плавления. В связи с возможностью обработки изделий на воздухе метод не накладывает ограничений на размеры обрабатываемых деталей. При этом возможна существенная экономия дорогостоящих элементов.

Вданной работе приведены результаты исследований системы Ti-Hf, полученной мето-

дом электронно-лучевой наплавки порошка гафния на титан ВТ1-0.

2.Материалы и методы исследования

Вкачестве материала основы использованы пластины технически чистого титана марки ВТ1-0 размерами 100х50х12 мм. В качестве легирующих элементов применялись порошки

технически чистого гафния. Перед наплавкой порошки равномерно наносились на поверхность титановых пластин плотностью 0,45 г/см2. Для предотвращения взаимодействия расплавленного металла с воздушной атмосферой использовался аргон. Наплавка осуществлялась в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН на ускорителе электронов ЭЛВ-

6.В процессе наплавки образец перемещался относительно пучка электронов со скоростью 1

525

см/с. Расстояние от выпускного отверстия до поверхности заготовки составляло 136 мм, первоначальная энергия электронов - 1,4 МэВ, ток пучка составлял 11 мА.

Исследования микроструктуры проводились на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer A1m на полированных шлифах, химически травленных раствором Кролла. Для оценки элементного состава использован метод микрорентгеноспектрального анализа при помощи анализатора Oxford Instrumetns X-Act, установленного на растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO50 XVP. Микротвѐрдость по Виккерсу определялась на приборе Wolpert Group 402MVD с нагрузкой на индентор 100 г.

3. Результаты исследований

По проведенным на оптическом микроскопе исследованиям образцов системы Ti-Hf можно отметить, что в результате электронно-лучевой наплавки был сформирован слой толщиной 1,75 мм. Внешний вид наплавленного слоя представлен на рис. 1. В наплавленных слоях отсутствуют дефекты в виде пор и микротрещин. На основании металлографических исследований структуру образца можно разбить на три зоны: наплавленный слой, зона термического влияния и основной металл.

Рис. 1. Поперечное сечение образца, полученного методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошка гафния на технически чистые титановые пластины

Наплавленный слой представляет собой двухкомпонентный сплав Ti-Hf с концентрацией гафния 8,1 % (вес.), измеренной методом микрорентгеноспектрального анализа. На рис. 2 представлено увеличенное изображение наплавленного слоя. Вытянутые в вертикальном направлении зѐрна свидетельствуют о том, что кристаллизация металла начиналась от границы между расплавом и материалом основы. Обращая внимание на диаграмму состояния Ti-Hf [4], отметим, что в процессе кристаллизации в первую очередь выделяется высокотемпературная β-фаза, представляющая собой твѐрдый раствор гафния в титане. Высокая скорость охлаждения приводит к тому, что переход β- в α-фазу происходит по мартенситному механизму. Этот факт хорошо подтверждается мартенситной структурой зѐрен, изображенной на рис. 3.

Для того, чтобы оценить механические свойства образцов, использовался метод определения микротвѐрдости по Виккерсу. Из представленной на рис. 4 зависимости следует, что микротвѐрдость наплавленного слоя (~410 HV) примерно в два раза превышает микротвѐрдость основного металла (~200 HV). Упрочнение наплавленного слоя, по-видимому, объясняется механизмом твердорастворного упрочнения.

526

Рис. 2. Вытянутые зѐрна, сформированные в процессе кристаллизации наплавленного слоя системы

Ti-Hf

Рис. 3. Мартенситная структура наплавленного слоя

Рис. 4. Распределение микротвѐрдости по сечению образца. Измерения проводились на поперечных шлифах в направлении от наплавленного слоя к материалу основы

4. Выводы

Проведенные исследования показали, что метод электронно-лучевой наплавки позволяет получать качественные бездефектные покрытия системы Ti-Hf на пластинах чистого титана. Благодаря высокой скорости охлаждения, микроструктура наплавленного слоя имеет мартенситную морфологию (фаза α’). А микротвѐрдость наплавленного слоя в двое превышает значение микротвѐрдость материала основы.

527

Литература

1.H. Sato, M. Kikuchi, M. Komatsu, O. Okuno, T. Okabe, Mechanical properties of cast Ti-Hf alloys, J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater., 72 (2005) P. 362-367.

2.M. Kikuchi, M. Takahashi, H. Sato, O. Okuno, M.E. Nunn, T. Okabe, Grindability of cast Ti-Hf alloys, J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater., 77 (2006) P. 34-38.

3.Z. Cai, M. Koike, H. Sato, M. Brezner, Q. Guo, M. Komatsu, O. Okuno, T. Okabe, Electrochemical characterization of cast Ti-Hf binary alloys, Acta Biomater, 1 (2005) P. 353-356.

4.H. Okamoto, Hf-Ti (hafnium-titanium), Journal of phase equilibria, 18 (1997) P. 672-672.

Матц О. Э.

Новосибирский государственный технический университет, г.Новосибирск

528

Критерий применимости kp-метода при оценке спектрамасс дырок в монокристалле германия в квантующем однородном магнитном поле, ориентированном вдоль направления [001]

А. Г. Моисеев

В работе сформулирован критерий применимости kp-метода при оценке спектра масс дырок в монокристалле германия в квантующем однородном магнитном поле, ориентированном вдоль оси [001].

Ключевые слова: массы дырок, уровни Ландау.

1.Введение

В[1] можно найти расчѐт времени релаксации носителей зарядов в полупроводниках для некоторых механизмов рассеяния. Как отмечено в [1], для расчѐта времени релаксации электронов и дырок в полупроводниках для того или иного механизма рассеяния необходим спектр носителей зарядов и значения эффективных масс этих носителей зарядов. В [2] дано построение спектра дырок в монокристаллах Ge и Si в отсутствии магнитного поля. В [3] приведѐн гамильтониан для тяжѐлых и лѐгких дырок, в монокристаллах Ge и Si в произвольном магнитном поле, когда кинетическая энергия этих дырок много меньше спин- орбитального расщепления , а оси 4 порядка монокристалла совпадают с осями “x,y,z”:

Pˆx pˆx qce Ax ,Pˆy pˆy qce Ay ,Pˆz pˆz qce Az , pˆx i x , pˆy i y , pˆz i z , Pˆ2 Pˆx2 Pˆy2 Pˆz2.

В [4] при построении теории кинетических явлений в 3D деформированном монокристалле Ge в однородгом магнитном поле в качестве тензора масс носителей зарядов

m1,m2,m3 для монокристалла Ge выбираются значения эффективных масс рассчитанных, когда напряжѐнность магнитного поля равна нулю H=0 . Гамильтониан дырки в деформированном монокристалле Ge в однородном магнитном поле в этом случае имеет вид:

kˆi =Pˆi pˆi qce Ai.

Кроме того, в [4] при исследовании циклотронного резонанса изложен общий подход к построению гамильтониана дырки в деформированном монокристалле Ge или Si. Согласно [4], выражение для гамильтониана дырки может быть получено из формулы для энергии дырки в квадратичном, или более высоком, приближении по k в деформированном моно-

529

kˆi =Pˆi pˆi qce Ai.

2.Основная часть

Впротивоположность методу, изложенному в [4], в [5,6] дан, основанный на теории возмущений, самосогласованный метод расчѐта как энергий дырок в недеформированном 3D монокристалле германия или кремния в квантующем однородном магнитном поле в окрест-

ности точки kz 0, так и эффективных масс дырок, когда магнитное поле ориентировано

вдоль направления [001]. В [5] получены формулы оценки энергии дырок в монокристалле Ge или Si для первых уровней Ландау. Основной особенностью энергетического спектра носителей зарядов в монокристаллах Ge и Si в квантующем однородном магнитном поле [5,6]

является вырождение энергии дырки по волновому числу kx . Показано, что эффективные

массы дырок в монокристалле, обусловленные их движением вдоль оси z, в сильном однородном магнитном поле зависят от номера уровня Ландау n и не зависят от напряжѐнности магнитного поля [5,6].

Метод, изложенный в [5,6], есть по существу kp-метод. Критерий применения kp-метода при расчѐте спектра дырок в монокристалле Ge дан в [4]

qe H Eg , mec

где Eg ширина запрещѐнной зоны. В германии Eg 0.74эВ. Это позволяет утверждать, что напряженность H магнитного поля не должна превышать 6.8 107 Э .

3. Заключение

Предложенный в [5-6] kp-метод, можно применять для расчѐта спектра дырок в монокристалле германия в квантующем однородном магнитном поле, ориентированном вдоль оси

[001], когда напряжѐнность H магнитного поля ограничена величиной 6.8 107 Э .

Литература

1.Бонч–Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990. 685c.

2.Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука, 1978. 615c.

3.Киттель Ч. Квантовая теория твѐрдых тел. М.: Наука, 1967. 491c.

4.Бир Г. Л., Пикус Г. Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. М.:

Наука, 1972. 584c.

5.Моисеев А. Г. Спектр дырок в монокристаллах германия и кремния в квантующем однородном магнитном поле//Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. T. 57. N. 9. C. 90-97.

6.Моисеев А. Г. Спектр дырок в монокристалле Ge в квантующем однородном магнитном поле//Труды XII международной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2014, Новосибирск, Россия, 2-4 Октября. -2014. –Т. 2. –C. 44-47.

Моисеев Алексей Георгиевич

к.ф-м.н., доцент кафедры Прикладной и теоретической физики НГТУ. (630092. Россия, Новосибирск, проспект К. Маркса 20,) тел. (383) 3-460-655, e-mail: haos@online.nsk.su

530