способ обработки изделий из металлов и их сплавов

Формула изобретения

Способ обработки изделий из металлов и их сплавов, включающий облучение поверхности импульсным концентрированным потоком энергии, отличающийся тем, что изделие облучают электромагнитной волной СВЧ-диапазона с плотностью потока мощности более 10³ Вт/см².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке поверхности металлов и сплавов с целью направленного изменения их физико-химических свойств для улучшения различных эксплуатационных характеристик.

В современных технологиях металлообработки известны различные способы улучшения тех или иных эксплуатационных характеристик изделий облучением высококонцентрированными потоками энергии. Так, в частности, известен способ обработки поверхности металла с нанесенной на него смесью двух других металлов в виде порошка пучком лазера с энергией в импульсе от 28 до 36 Дж и частотой следования импульсов 10 Гц. Плотность потока мощности на поверхности состава 10⁸ 10⁹ Вт/см² [ДАН СССР, 1979, т. 249, с. 119 121] При этом смесь порошков на поверхности плавится, сплав перемещается и на поверхности образуется аморфный слой толщиной 10 15 мкм.

Основными недостатками лазерной обработки металлов и сплавов являются очень низкая степень использования энергии (к.п.д. лазера ниже 2), а также малая площадь сечения лазерного луча; а, следовательно, и малая площадь обрабатываемой без сканирования поверхности. Эти недостатки устраняются, если в качестве источников концентрированных потоков энергии использовать электронные или ионные пучки.

Известен способ упрочнения углеродистых сталей [см. Физ. ХОМ, 1984, т. 6, с. 119 122] по которому поверхность металла обрабатывают интенсивным импульсным электронным пучком с параметрами: плотность потока мощности 10⁵ Вт/см², энергия электронов 20 кэВ, длительность импульса 10^-4 с. При этом микротвердость образцов увеличивается на 20 по сравнению с закаленными сплавами. Но при этом, как показали исследования, поверхность металлов начинает деградировать, т.е. образуются пузырьки, микротрещины и т.п. которые ухудшают эксплуатационные характеристики сплавов.

Кроме того, обработка металлов электронным пучком характеризуется низкой объемной плотностью поглощаемой энергии, обусловленной большой длиной свободного пробега электронов в металлах.

Более высокую плотность поглощаемой энергии имеет способ обработки твердых сплавов [см. А.С. СССР N 1280990, МКИ G 01 N 3/56; 3/58] сильноточным импульсным ионным пучком с плотностью энергии 2 3 Дж/см² и длительностью импульса 10 100 нс. Плотность потока мощности на образце составляет (10⁷ 2 10⁸ Вт/см²). Облучение ионным пучком приводит к заметному увеличению износостойкости сплавов на основе вольфрама-кобальта и титана-кобальта. Этот способ выбираем за прототип.

Основной технической трудностью при обработке поверхности пучками заряженных частиц является требование нахождения обрабатываемых изделий в вакууме. Это осложняет замену образцов, повышает затраты времени на обработку.

В предлагаемом изобретении эта задача решается тем, что, как и в прототипе, изделие из металла или сплава обрабатывают импульсным концентрированным потоком энергии.

В отличие от прототипа, изделие облучают электромагнитной волной СВЧ диапазона с плотностью потока мощности не менее 10³ Вт/см².

Как известно, диапазон СВЧ включает частоты электромагнитных колебаний от 30 МГц до 3000 ГГц (см. например, В.И. Гайдук, К.И. Палатов, Д.М. Петров, "Физические основы электроники СВЧ", М. Сов. радио, 1971 г.)

В целом предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Образец или изделие из металла облучают мощным импульсным СВЧ излучением, например, от СВЧ генератора на триоде с виртуальным катодом [см. И.Г. Артюх, А.Н. Сандалов, А. С. Сулакшин и др. Релятивистские СВЧ устройства сверхбольшой мощности. Электроника СВЧ, 1989, сер. 1, вып. 17] Такой генератор обеспечивает следующие параметры: частота излучения 2.850 3.150 ГГц, длительность импульса 250 350 нс, частота следования импульсов 30 40 с.

Следует отметить, что такие генераторы являются наиболее простыми по конструкции, легко управляемыми и перестраиваемыми по частоте приборами, обладают достаточно высоким электронным к.п.д. На фиг. 1, 2 даны возможные схемы установки для реализации предлагаемого способа.

Генератор СВЧ колебаний 1, в качестве источника питания 2 имеет генератор импульсных напряжений. С помощью диэлектрической линзы 3 электромагнитное излучение выводится из вакуумного объема СВЧ генератора 1. В первом варианте, через согласующий рупор 4 излучение поступает в волноводный тракт 5. Через рупорную антенну 6 излучение подается на образец 7. Во втором варианте реализации способа образец 7 установлен в фокусе диэлектрической линзы 3.

Плотность потока мощности в месте установки образцов может составлять от (1 до 80)10³ Вт/см².

Авторами были проведены два цикла исследований. СВЧ обработке подвергали образцы из меди и промышленного титанового сплава ВТ18У. Исследования образцов после обработки дали следующие результаты.

В приповерхностном слое меди толщиной до половины расчетной толщины скин-слоя (0,5 мкм) формируется мощная дислокационная структура и повышается микротвердость в 3 5 раз.

Поверхность титанового сплава после обработки носит следы оплавления, уменьшается шероховатость поверхности с 0,18 0,02 мкм до 0,1 0,01 мкм, что сопровождается повышением коррозионной стойкости примерно в тысячи раз.

Следует отметить, что результаты воздействия импульсного мощного СВЧ излучения на металлы аналогичны тем, которые возникают при облучении металлов мощными импульсными пучками ионов. Так же, как и там, имеет место оплавление поверхности, характер возникающих структур свидетельствует о больших ударных нагрузках. Следует ожидать, что увеличение мощности СВЧ излучения и уменьшение длительности импульса, так же, как и при воздействии мощным ионным пучком, будет сопровождаться усилением наблюдаемого эффекта.

Импульсный характер СВЧ воздействия имеет принципиальное значение. Во-первых, только при импульсном воздействии имеют место ударные нагрузки, а во-вторых, с увеличением длительности импульса для достижения требуемого потока мощности на образце резко возрастают энергетические затраты.

Очевидно, что конкретные режимы обработки (частота излучения, плотность потока мощности, длительность импульса) очень сильно зависят от материала образцов и того триботехнического показателя, который требуется улучшить. Однако проведенных исследований вполне достаточно для констатации следующего факта. Впервые обнаружено неизвестное ранее явление изменения микроструктуры поверхностного слоя металлических материалов после обработки их импульсным СВЧ излучением при плотности потока мощности на образце, превышающей 10³ Вт/см².

Таким образом, импульсная СВЧ обработка металлов и сплавов приводит к аналогичным изменениям их эксплуатационных характеристик, что и обработка мощными импульсными ионными пучками. В то же время предлагаемая технология имеет ряд преимуществ перед известной. Это, во-первых, возможность обработки образцов в открытом пространстве при атмосферном давлении, что значительно упрощает проблему смены образцов. Во-вторых, высокая однородность распределения СВЧ энергии позволяет получать модифицированный поверхностный слой с высокой однородностью. В третьих, возможность облучения деталей больших габаритов или большого качества деталей, т.е. рост производительности.