Coating synthesis controlled by electron-beam heating

The methods of combined electron-beam treatment of parts made of steel with one- and two-layer coatings are studied experimentally. Ti-Ni, Ni-Al and Al-Ti systems were used as the examples in the experiments. The mathematical model is suggested for coating formation in the controlled regime of high temperature synthesis during high energy source motion along the preliminarily deposited layer of exothermic composition. The study takes into account the difference in thermophysical properties of the materials of coating and substrate, heat release from chemical reaction that leads to the coating properties formation and other factors. The realization of the synthesis depends on technological parameters. Various regimes of the treatment process are investigated numerically

Mathematical modelling of thermal and kinetic phenomena in electron-beam technologies

The article presents a scheme for constructing models using kinetic laws for additional parameters. The work describes the example of the model of electro-beam treatment of a material with a coating. The study uses the simple kinetic law for powder layer evolution due to shrinkage. The model takes into account the melting of powder layer and substrate. The numerical solution gives the temperature field, evolution of the molten pool, the heat affected zone and the surface relief for different moments of time. The results depend on the treatment rate and electron beam energy

Устранение дефектов сварного соединения в ниобиевом сверхпроводящем резонаторе

The possible reasons for the appearance of defects during welding of a niobium superconducting coaxial halfwave resonator (HWR) are investigated, which consist in the deviation of the shape of the welded surface from the given one, in the deviation of the angle of incidence of the beam from the perpendicular to the welded surface, in fluctuations in the thickness of the welded edges, and also the presence of some instability (pulsation) accelerating voltage, beam currents and focusing of the electron beam gun. The possibilities of preventing the appearance of defects during welding are determined, which consist in regulating the operating parameters of the electron beam gun depending on possible errors in the manufacture and preparation of the welded edges. Methods for elimination of defects in welding of niobium superconducting coaxial HWR are studied. A method has been developed for repairing defects in welded joints such as burn-throughs on the type of resonator under study using electron-beam deposition. The results of measuring the resonant frequency of the HWR before the onset and after the recovery of burn-through are presented, which showed that the melting of the hole did not lead to a change in the electrical characteristics. Vacuum and cryogenic tests at liquid nitrogen temperature confirmed the tightness of the welded joints. The results obtained can be used in the development of basic technologies for the restoration and repair of expensive and difficult-to-manufacture elements of accelerator technology – superconducting high-frequency resonators made of high-purity niobium sheet.Исследованы возможные причины появления дефектов при сварке ниобиевого сверхпроводящего коаксиального полуволнового резонатора (HWR), которые заключаются в отклонении формы свариваемой поверхности от заданной, в отклонении угла падения луча от перпендикуляра к свариваемой поверхности, в колебании толщины свариваемых кромок, а также наличие некоторой нестабильности (пульсации) ускоряющего напряжения, токов луча и фокусировки электронно-лучевой пушке. Определены возможности предотвращения появления дефектов при сварке, заключающиеся в регулировании рабочих параметров электронно-лучевой пушки в зависимости от возможных погрешностей при изготовлении и подготовке свариваемых кромок. Изучены методы устранения дефектов при сварке ниобиевого сверхпроводящего коаксиального HWR. Разработан способ ремонта дефектов сварных соединений типа прожогов на исследуемом типе резонатора с использованием электронно-лучевого наплавления. Приведены результаты измерения резонансной частоты HWR до возникновения и после восстановления прожога, которые показали, что заплавление отверстия не привело к изменению электрофизических характеристик. Вакуумные и криогенные испытания при температуре жидкого азота подтвердили герметичность сварных соединений. Полученные результаты могут быть использованы при разработке базовых технологий восстановления и ремонта дорогостоящих и сложных в изготовлении элементов ускорительной техники – сверхпроводящих высокочастотных резонаторов из листового особо чистого ниобия

Исследование формирования упрочненных слоев на титановых сплавах методом ионноплазменного азотирования

 Various methods are applied in the world practice to increase wear resistance, fatigue strength and corrosion resistance of aviation equipment, machinery and medicine parts made of titanium and its alloys. Ion-plasma nitriding provides the ultimate effect making it possible to obtain hardened layers with hardness of HV0.01 650–1000 with a thickness of 0.07–0.20 mm for 3–6 hours, depending on the grade of the titanium alloy.Technological factors effecting on the efficiency of ion-plasma nitriding of materials are the process temperature, duration of saturation, pressure, composition and flow rate of the working gas mixture. The effect of these technological parameters on the microstructure, microhardness and depth of hardened layers is investigated in the work. It is shown that hardness and depth of the nitrided layer can be controlled by changing the composition, volume and periodicity of the gaseous medium (nitrogen and argon) supply at the stages of heating and holding time of the samples from titanium and its alloys under ion-plasma nitriding. The tribological characteristics of titanium alloys as-received and the same ones subjected to ion-plasma nitriding under friction conditions without a lubricant were studied. For VT1-0 and VT6 alloys in the as-received state during the tests there is a monotonous decrease of the friction coefficient from 0.35–0.40 to 0.25, after nitriding the friction coefficient monotonically increases from 0.14 up to 0.30 when removing the hardened layer.Studies of corrosion resistance of titanium VT1-0, carried out in a 10 % solution of sulfuric acid, showed that after ion-plasma nitriding at a temperature of 830 °C for 6 hours, the corrosion resistance increases, as the positive polarization potential of the sample shows.Для повышения износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости изделий авиационной техники, машиностроения и медицины из титана и его сплавов в мировой практике применяют различные методы. Наибольший эффект обеспечивает ионно-плазменное азотирование, которое позволяет получать упрочненные слои с твердостью HV0,01 650–1100 толщиной 0,07–0,20 мм за 3–6 ч в зависимости от марки титанового сплава.Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионно-плазменного азотирования материалов, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси. Исследовано влияние указанных технологических параметров на микроструктуру, микротвердость и глубину упрочненных слоев. Показано, что, изменяя состав, объем и периодичность подачи газовой среды (азота и аргона) на стадии разогрева и выдержки образцов из титана и его сплавов при ионно-плазменном азотировании, можно управлять значениями твердости и глубины азотируемого слоя. Изучены триботехнические характеристики титановых сплавов в исходном состоянии и после ионно-плазменного азотирования в условиях трения без смазочного материала. Если для сплавов в состоянии поставки в процессе испытаний имеет место монотонное снижение коэффициента трения с 0,35–0,40 до 0,25, то после азотирования сплавов ВТ1-0 и ВТ6 коэффициент трения монотонно повышается от значения 0,14 и достигает величины 0,30 при удалении контртелом упрочненного слоя.Исследования коррозионной стойкости титана ВТ1-0, проведенные в 10%-ном растворе серной кислоты, показали, что после ионно-плазменного азотирования при температуре 830 °С в течение 6 ч коррозионная стойкость повышается, о чем свидетельствует положительный потенциал поляризации образца.

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ C ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

General information about development of additive technologies, as well as an overview of the main schema- tics of layer by layer manufacturing of metal products is presented. The technologies and equipment for electron beam layerby-layer production of metal products using wire and powder as a raw material is described. Experimental data obtained by the authors as a result of electron beam additive manufacturing of low-carbon steel, stainless austenitic steel and technical titanium samples are described. Relations between the product geometry and the electron beam main parameters are obtained. The analysis of microstructures is carried out. The main zones formed in the samples fabricated by this method are described. It is shown that typical microstructure of stainless steel samples consists of the large dendrites with main axes up to a few millimeters in the direction of heat sink. In a pure titanium, in addition to the characteristic coarse-grained (up to several millimeters in diameter) structure, there are zones where a lamellar structure with colonies of about 1 mm is observed, as well as a zone in the form of a strip about 1 mm wide along the walls, which is an acicular structure. This is obviously related to the cooling mode, since the character of the heat sink along the edges of the sample differs from the central zones. The analysis of electron beam additive technologies prospects is carried out. Examples of electron beam additive technology using in modern fabrication of accelerator technics, aircraft and machine building are demonstrated.Представлена общая информация о развитии аддитивных технологий, а также обзор основных принципиальных схем процессов послойного выращивания металлических изделий. Описаны технологии и оборудование электронно-лучевого послойного получения металлических изделий как из проволоки, так и из порошка. Приведены экспериментальные данные, полученные авторами в результате электронно-лучевого аддитивного изготовления образцов из низкоуглеродистой стали, нержавеющей аустенитной стали и технического титана. По- лучены зависимости геометрических параметров наплавляемого слоя от основных параметров электронного луча, а также схема изменения профиля одиночного слоя наплавки от тока луча. Проведен анализ микроструктур. Описаны основные характерные зоны, образующиеся в образцах, полученных данным методом. Показано, что при работе с нержавеющей сталью типичная микроструктура образцов – крупные дендриты с главными осями длиной до нескольких миллиметров в направлении теплоотвода. Однако было замечено, что в участках, претерпевших повторный многократный переплав во время наплавки последующих слоев металла, происходит рекристаллизация и образуются равноосные зерна. В технически чистом титане помимо характерной крупнозернистой (до нескольких миллиметров в диаметре) структуры существуют зоны, где наблюдается пластинчатая структура с колониями около 1 мм, а также зона в виде полосы шириной около 1 мм вдоль стенок, представляющая собой игольчатую структуру. Это, очевидно, связано с режимом охлаждения, так как характер теплоотвода по краям заготовки отличается от центральных зон. Проведен анализ перспектив развития электронно-лучевых аддитивных технологий. Продемонстрированы примеры использования электронно-лучевой аддитивной технологии в современном производстве ускорительной техники, авиа- и машиностроении

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ДИСПЕРГИРОВАНИИ ТВЕРДОГО СПЛАВА ВК6 ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ

 Properties of WC–6Co hard alloy powders obtained by the method of spark plasma dispersion (SPD) are presemed. Powders of WC–6Co hard alloy were produced using spark erosion in distilled water. The properties of powders, such as specific surface area, morphology, structure and size distribution, were studied. Investigation of the powder properties was made using the methods of scanning electron microscopy, X-ray phase analysis and disk centrifugal sedimentation particle size analysis. The principal possibility of SPD method to produce highly active additives, suitable to use during creation of tools and hardening of wear-resistant coatings from hard alloy waste is shown. В работе представлены результаты электроискрового диспергирования (ЭИД) стружки из сплава ВК6 в воде. Приведены величины удельной поверхности, морфологии, структуры и распределения частиц в порошках по размерам. Для исследования свойств использовали дисковый центробежный седиментационный анализатор размера частиц, методы растровой электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Показана принципиальная возможность применения ЭИД для изготовления тонкодисперсных порошков из отходов твердого сплава, пригодных для повторного использования в качестве высокоактивных добавок при создании инструмента и получении износостойких упрочняющих покрытий.

Abrasion-resistant nanostructured coatings of processing tools applied in vacuum plasma chamber

W pracy została zbadana struktura składu oraz właściwości fizykomechaniczne trudnościeralnych pokryć wytworzonych metodą plazmowego osiadania wielowarstwowych kompozycji Ti-TiCO oraz Ti-TiN-TiNCO-TiCO w zmiennych warunkach osiadania. Pokrycie charakteryzuje się nanostrukturą z rozmiarami ziarna 15÷50 µm z rozwiniętym profilem powierzchni o wysokiej chropowatości. Proporcje faz są zmienne w zależności od zmiany ciśnienia gazu redukcyjnego. Nowe nanopokrycia osiągają wysoką twardość i ścieralność. Wielowarstwowe kompozyty nanoszone na narzędzia robocze ze stali narzędziowej oraz stopów twardych, np. łopatki tarczy do zacierania powierzchni betonowych zwiększają trzykrotnie ich żywotność. Pokrycia nowego pokolenia wykorzystywane w obróbce detali zespołów roboczych i elementów obróbczych są wysoce efektywne.This study investigates the composition structure and physical and mechanical properties of abrasion-restitant coatings produced by plasma settlement of multilayer composition of Ti-TiCO as well as Ti-TiN-TiNCO-TiCO under varying conditions of the settlement. Nanostructured coating has a grain size of 15÷50 microns with a developed surface profile with high roughness. The proportions of phases are variable depending on the change in gas pressure reduction. New nano-coatings achieve high hardness and abrasion resistance. Multilayer composites applied to working tools from tool steel and hard alloys, such as blades for concrete floating, triple their life. A new generation of coatings used in treatment of working parts and machining components are highly effective

STRUCTURE AND CHARACTERISTICS OF TI-AL-NI SYSTEM COVERING, APPLIED ON THE STEEL GROUND USING ELECTRON-BEAM HEATING

The morphology of the system Ti-Al-Ni covering, received by means of self-distributing high-temperature synthesis, initiated by electron-beam heating, on the basis of steel St3 is investigated

Оптимизация метода электронно-лучевой сварки ниобиевых резонаторов

The review of published data on the modes of EBW of high-purity niobium for SRF resonators was done. Relations between EBW parameters and geometries of welds of niobium sheets 1.7 mm thick are investigated. The optimal modes setting EBW have been used in the manufacture of samples 1.3 GHz superconducting niobium resonators.Представлены результаты обзора литературных данных по используемым значениям определяющих параметров режима ЭЛС листового особочистого ниобия для СВЧ-ниобиевых резонаторов. На основании анализа литературных источников определены диапазоны параметров режима сварки особочистого ниобия толщиной 1,7 мм. Изучено влияние основных энергетических параметров режима ЭЛС в рамках установленных диапазонов на геометрические характеристики получаемых сварных швов, важные при создании СВЧ-ускоряющих элементов. На основании проведенных исследований определены оптимальные значения параметров режима ЭЛС листового ниобия, которые использованы при изготовлении образцов 1,3 ГГц сверхпроводящих ниобие-вых резонаторов