Cтворення функціональних поверхонь наплавленням із введенням у створений шар наноструктурних компонентів

Професор Кузнецов В.Д., професор Смирнов І.В., доцент Чорний А.В., асистент Степанов Д.В.

На сегодні нанотехнологія визначається як сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати і модифікувати об'єкти, що включають компоненти з розмірами менше 100 нм, хоча б в одному вимірі, і в результаті цього отримувати принципово нові якості, що дозволяють здійснювати їх інтеграцію в повноцінно функціонуючі системи більшого масштабу.

Цей науковий напрямок кафедри інженерії поверхні заснований на прийомах і методах керування складом, розподіленням та морфологією неметалевих включень, у тому числі нано розмірного диапазону, які спрямовані саме на створення металу зварних швів, наплавлених поверхневих шарів і нанесених газотермічних покриттів. нової якості.

Досягнення підвищених, а в деяких випадках унікальних фізико-механічними властивостей зварних швів, наплавлених поверхневих шарів і нанесених газотермічних покриттів забезпечується при застосуванні нанопорошків оксидів металів.

Унікальність пов'язана з тим, що в частинках нанопорошку кількість атомів на поверхні сумірно з їх кількістю в об'ємі, в результаті різко зростає вклад поверхневої енергії в загальний енергетичний баланс. При цьому спостерігаються якісно нові ефекти, що описуються законами квантової механіки, а також стає можливим протікання таких реакцій між наночастинками, які не можуть відбуватися між частками, що знаходяться в масивному стані.

Введення наночастинок у зварювальну ванну здійснюється за спеціальною схемою, яка забезпечує зміну умов кристалізації і формування нового структурного стану литого металу. При цьому, в залежності від кількості та складу наноутворень формується дезорієнтований подрібнений тип мікроструктури з різним відсотком твердої складової, яка відповідає за міцнісні показникизварного шва чи шару наплавленого металу.

Підготовка вихідних порошкових матеріалів для зварювання, наплавлення та напилення здійснюється за двома принциповими схемами.

По першій схемі для збереження модифікуючої активності наночастинок, необхідно прикріпити їх до макрочастинки, тобто використовується  ідея застосування модифікаторівв суміші з охолоджувальними макрочастинками (мікрохолодильниками). Надійним способом рішення цієї задачі є використання механохімічної обробки порошкової суміші мікрочастинок діаметром 20–60 мкм і наночастинок розміром 10–40 нм в спеціальних млинах. Нанодисперсні механоактивовані керамічні частинки, легко змочуються у рідкому металі наплавленого шару і рівномірно гомогенізуються по всьому його об’єму, в результаті металева матриця литого металу зміцнена на структурному рівні.

По другій схемі шляхом фізичного осадження металів вакуумно-дуговим способом здійснюється формування наноструктур на розвинутої поверхні частинок керамічних порошків (Al₂O₃, ZrO₂, WC). Присутність наноутворень у вигляді плакованих металевих оболонок в плазмовому покритті призводить до формування ділянок з підвищеною когезійною міцністю, “заліковуванню” мікропор і мікротріщин, неминуче присутніх як в окремих керамічних частинках, так і в покритті, а також до зміцнення основного матеріалу за рахунок наявності у міжфазній зоні і самих покриттях дрібнодисперсних фаз, які перешкоджають зсувоутворенню, тобто є сильними точками закріплення дислокацій, що обумовлює підвищення комплексу фізико-механічних властивостей системи основа–покриття.

На сьогодні показано, що введення у зварювальну ванну нанооксидів алюмінію, цирконію, титану в об’ємній частці 0,5–1% забезпечує при зварюванні низьколегованих сталей максимальну кількість голчастого бейніту, що підвищує ударну в’язкість у 2 рази, а також зносостійкост наплавлених шарів в 5–7 разів, корозійної стійкості нанесених покриттів в 2,5–5 разів