Laser and Electron Beam Strengthening of Metals with Nanocarbon Coating
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-5-32-44Keywords:
carbon nanomaterials, commercial iron, microhardness, microstructure, wear resistance, friction coefficientAbstract
The results of experiments on modifying metal surface by applying nanocarbon coating followed by laser or electron beam treatment are generalized. Soot produced as a result of electric arc sputtering of graphite electrodes followed by extraction of fullerenes, graphene oxide thermally reduced at different temperatures, and С60 fullerene were used as nanocarbon coating. An impulse laser with a wavelength of 1.064 μm, impulse energy at a level of 10 J, and impulse duration around a few milliseconds was used as a source of high-energy irradiation. An accelerator providing electron energy of 60 keV and a stationary beam current up to 250 mA was used as an electron beam source.
The accomplished experiments point to a considerable (up to 8 times) increase in the microhardness of the treated steel surface which is accompanied by a decrease of the friction coefficient by several tens percent. It has also been found that the microhardness of the treated surface is a non-monotonic function on the laser or electron beam irradiation energy.
References
1. Приходько В.М., Петрова Л.Г., Чудина О.В. Металлофизические основы упрочняющих технологий. М.: Машиностроение, 2003.
2. Елецкий А.В. Механические свойства углеродных наноструктур и материалов на их основе // УФН. 2007. Т. 177. № 3. С. 233—274.
3. Chernogorova O., Drozdova E., Ovchinnikova I., Soldatov A., Ekimov E. Structure and Properties of Superelastic Hard Carbon Phase Created in Fullerene-metal Composites by High Temperature – High Pressure Treatment // J. Appl. Phys. 2012. V. 111—112. P. 601.
4. Черногорова О.П., Дроздова Е.И., Блинов В.М., Овчинникова И.Н. Влияние давления на образование сверхупругих твердых частиц в системе металл-фуллерен и трибологические свойства композиционных материалов, армированных такими частицами // Металлы. 2011. № 2. C. 63—70.
5. Tchernogorova O.P. e. a. Superhard Carbon Particles Forming from Fullerites in a Mixture with Iron Powder // Mat. Sci. Eng. 2001. V. 299. P. 136.
6. Drozdova E.I., Chernogorova O.P., Borodina T.I., Milyavskiy V.V. Effect of the Composition of Initial Fullerites on the Structure and Properties of Hard and Elastic Carbon Phase Formed in Metallic Matrix under Pressure // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. 2008. V. 16. No. 5—6. Pp. 301—305.
7. Черногорова О.П., Дроздова Е.И., Блинов В.М., Бульенков Н.А. Структура и свойства сверхупругих и твердых углеродных частиц, армирующих износостойкие композиционные материалы, полученные из смеси порошков железа и фуллеренов под давлением // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 5—6. C. 150—157.
8. Bakshi S. R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon Nanotube Reinforced Metal Matrix Composites — а Review // Int. Materials Rev. 2010. V. 55. No. 1. Рp. 41—64.
9. Kim K.T., Cha S.I., Hong S.H., Hong S.H. Microstructures and Tensile Behavior of Carbon Nanotubes Reinforced Cu Matrix Nanocomposites // Mater. Sci. Eng. 2006. V. 430. Pp. 27—33.
10. Reibold M., Paufler P., Levin. A., Kochmann W., Pätzke N., Meyer D.C. Carbon Nanotubes in an Ancient Damascus Sabre // Nature. 2006. V. 444. No. 7117. P. 286.
11. Чудина О.В. и др. Лазерное легирование конструкционных сталей наноуглеродными материалами // Технология машиностроения. 2017. № 9. С. 5—9.
12. Бочаров Г.С. и др. Оптимизация упрочнения стальной поверхности углеродными наноструктурами с последующей обработкой высокоинтенсивными источниками // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 1. С. 33—39.
13. Бочаров Г.С. и др. Исследование механизма поверхностного упрочнения сталей наноуглеродными материалами с использованием лазерного нагрева // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 2. С. 211—216.
14. Чудина О.В., Елецкий А.В., Терентьев Е.В., Бочаров Г.С. Модифицирование стальной поверхности наноуглеродными материалами с использованием концентрированных потоков энергии // Металловедение и термическая обработка материалов. 2018. № 6 (756). С. 27—32.
15. Churilov G.N. e. a. Synthesis of Fullerenes in a High-frequency Arc Plasma under Elevated Helium Pressure // Carbon. 2013. V. 62. Pp. 389—392.
16. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of Graphitic Oxide // J. Am. Chem. Soc. 1958. V. 80. Pp. 1339—1346.
17. Afanas'ev V.P. e. a. Evolution of Photoelectron Spectra at Thermal Reduction of Graphene Oxide // J. Vacuum Sci. and Techn. 2017. V. 35 (4). Pp. 041804.
18. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980.
19. Физические величины / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.
20. Матюнин В.М., Марченков А.Ю., Демидов А.Н. Исследование влияния размерного эффекта на результаты определения твёрдости на разных масштабных уровнях // Технология металлов. 2013. № 6. С. 53—54.
---
Для цитирования: Бочаров Г.С., Елецкий А.В., Федорович С.Д. Лазерное и электронно-лучевое упрочнение металлов с наноуглеродным покрытием // Вестник МЭИ. 2019. № 5. С. 32—44. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-32-44.
#
1. Prikhod'ko V.M., Petrova L.G., Chudina O.V. Metallofizicheskie Osnovy Uprochnyayushchikh Tekhnologiy. M.: Mashinostroenie, 2003. (in Russian).
2. Eletskiy A.V. Mekhanicheskie Svoystva Uglerodnykh Nanostruktur i Materialov na ikh Osnove. UFN. 2007;177;3:233—274. (in Russian).
3. Chernogorova O., Drozdova E., Ovchinnikova I., Soldatov A., Ekimov E. Structure and Properties of Superelastic Hard Carbon Phase Created in Fullerene-metal Composites by High Temperature – High Pressure Treatment. J. Appl. Phys. 2012;111—112:601.
4. Chernogorova O.P., Drozdova E.I., Blinov V.M., Ovchinnikova I.N. Vliyanie Davleniya na Obrazovanie Sverkhuprugikh Tverdykh Chastits v Sisteme Metall- fulleren i Tribologicheskie Svoystva Kompozitsionnykh Materialov, Armirovannykh Takimi Chastitsami. Metally. 2011;2:63—70. (in Russian).
5. Tchernogorova O.P. e. a. Superhard Carbon Particles Forming from Fullerites in a Mixture with Iron Powder. Mat. Sci. Eng. 2001;299:136.
6. Drozdova E.I., Chernogorova O.P., Borodina T.I., Milyavskiy V.V. Effect of the Composition of Initial Fullerites on the Structure and Properties of Hard and Elastic Carbon Phase Formed in Metallic Matrix under Pressure. Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. 2008; 16;5—6:301—305.
7. Chernogorova O.P., Drozdova E.I., Blinov V.M., Bul'enkov N.A. Struktura i Svoystva Sverkhuprugikh i Tverdykh Uglerodnykh Chastits, Armiruyushchikh Iznosostoykie Kompozitsionnye Materialy, Poluchennye iz Smesi Poroshkov Zheleza i Fullerenov pod Davleniem. Rossiyskie Nanotekhnologii. 2008;3;5—6:150—157. (in Russian).
8. Bakshi S. R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon Nanotube Reinforced Metal Matrix Composites — а Review. Int. Materials Rev. 2010;55;1:41—64.
9. Kim K.T., Cha S.I., Hong S.H., Hong S.H. Microstructures and Tensile Behavior of Carbon Nanotubes Reinforced Cu Matrix Nanocomposites. Mater. Sci. Eng. 2006;430:27—33.
10. Reibold M., Paufler P., Levin. A., Kochmann W., Pätzke N., Meyer D.C. Carbon Nanotubes in an Ancient Damascus Sabre. Nature. 2006; 444;7117:286.
11. Chudina O.V. i dr. Lazernoe Legirovanie Konstruktsionnykh Staley Nanouglerodnymi Materialami. Tekhnologiya Mashinostroeniya. 2017;9:5—9. (in Russian).
12. Bocharov G.S. i dr. Optimizatsiya Uprochneniya Stal'noy Poverkhnosti Uglerodnymi Nanostrukturami s Posleduyushchey Obrabotkoy Vysokointensivnymi Istochnikami. Poverkhnost'. Rentgenovskie, Sinkhrotronnye i Neytronnye Issledovaniya. 2018;1:33—39. (in Russian).
13. Bocharov G.S. i dr. Issledovanie Mekhanizma Poverkhnostnogo Uprochneniya Staley Nanouglerodnymi Materialami s Ispol'zovaniem Lazernogo Nagreva. Fizika Metallov i Metallovedenie. 2018; 119;2:211—216. (in Russian).
14. Chudina O.V., Eletskiy A.V., Terent'ev E.V., Bocharov G.S. Modifitsirovanie Stal'noy Poverkhnosti Nanouglerodnymi Materialami s Ispol'zovaniem Kontsentrirovannykh Potokov Energii. Metallovedenie I Termicheskaya Obrabotka Materialov. 2018;6 (756):27—32. (in Russian).
15. Churilov G.N. e. a. Synthesis of Fullerenes in a High-frequency Arc Plasma under Elevated Helium Pressure. Carbon. 2013;62:389—392.
16. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of Graphitic Oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958;80:1339—1346.
17. Afanas'ev V.P. e. a. Evolution of Photoelectron Spectra at Thermal Reduction of Graphene Oxide. J. Vacuum Sci. and Techn. 2017;35 (4):041804.
18. Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Yadernaya Fizika. M.: Nauka, 1980. (in Russian).
19. Fizicheskie Velichiny. Pod Red. I.S. Grigor'eva, E.Z. Meylikhova. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
20. Matyunin V.M., Marchenkov A.Yu., Demidov A.N. Issledovanie Vliyaniya Razmernogo Effekta na Rezul'taty Opredeleniya Tverdosti na Raznykh Masshtabnykh Urovnyakh. Tekhnologiya Metallov. 2013;6:53—54. (in Russian).
---
For citation: Bocharov G.S., Eletskii A.V, Fedorovich S.D. Laser and Electron Beam Strengthening of Metals with Nanocarbon Coating. Bulletin of MPEI. 2019;5:32-44. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-32-44.
2. Елецкий А.В. Механические свойства углеродных наноструктур и материалов на их основе // УФН. 2007. Т. 177. № 3. С. 233—274.
3. Chernogorova O., Drozdova E., Ovchinnikova I., Soldatov A., Ekimov E. Structure and Properties of Superelastic Hard Carbon Phase Created in Fullerene-metal Composites by High Temperature – High Pressure Treatment // J. Appl. Phys. 2012. V. 111—112. P. 601.
4. Черногорова О.П., Дроздова Е.И., Блинов В.М., Овчинникова И.Н. Влияние давления на образование сверхупругих твердых частиц в системе металл-фуллерен и трибологические свойства композиционных материалов, армированных такими частицами // Металлы. 2011. № 2. C. 63—70.
5. Tchernogorova O.P. e. a. Superhard Carbon Particles Forming from Fullerites in a Mixture with Iron Powder // Mat. Sci. Eng. 2001. V. 299. P. 136.
6. Drozdova E.I., Chernogorova O.P., Borodina T.I., Milyavskiy V.V. Effect of the Composition of Initial Fullerites on the Structure and Properties of Hard and Elastic Carbon Phase Formed in Metallic Matrix under Pressure // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. 2008. V. 16. No. 5—6. Pp. 301—305.
7. Черногорова О.П., Дроздова Е.И., Блинов В.М., Бульенков Н.А. Структура и свойства сверхупругих и твердых углеродных частиц, армирующих износостойкие композиционные материалы, полученные из смеси порошков железа и фуллеренов под давлением // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 5—6. C. 150—157.
8. Bakshi S. R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon Nanotube Reinforced Metal Matrix Composites — а Review // Int. Materials Rev. 2010. V. 55. No. 1. Рp. 41—64.
9. Kim K.T., Cha S.I., Hong S.H., Hong S.H. Microstructures and Tensile Behavior of Carbon Nanotubes Reinforced Cu Matrix Nanocomposites // Mater. Sci. Eng. 2006. V. 430. Pp. 27—33.
10. Reibold M., Paufler P., Levin. A., Kochmann W., Pätzke N., Meyer D.C. Carbon Nanotubes in an Ancient Damascus Sabre // Nature. 2006. V. 444. No. 7117. P. 286.
11. Чудина О.В. и др. Лазерное легирование конструкционных сталей наноуглеродными материалами // Технология машиностроения. 2017. № 9. С. 5—9.
12. Бочаров Г.С. и др. Оптимизация упрочнения стальной поверхности углеродными наноструктурами с последующей обработкой высокоинтенсивными источниками // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 1. С. 33—39.
13. Бочаров Г.С. и др. Исследование механизма поверхностного упрочнения сталей наноуглеродными материалами с использованием лазерного нагрева // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 2. С. 211—216.
14. Чудина О.В., Елецкий А.В., Терентьев Е.В., Бочаров Г.С. Модифицирование стальной поверхности наноуглеродными материалами с использованием концентрированных потоков энергии // Металловедение и термическая обработка материалов. 2018. № 6 (756). С. 27—32.
15. Churilov G.N. e. a. Synthesis of Fullerenes in a High-frequency Arc Plasma under Elevated Helium Pressure // Carbon. 2013. V. 62. Pp. 389—392.
16. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of Graphitic Oxide // J. Am. Chem. Soc. 1958. V. 80. Pp. 1339—1346.
17. Afanas'ev V.P. e. a. Evolution of Photoelectron Spectra at Thermal Reduction of Graphene Oxide // J. Vacuum Sci. and Techn. 2017. V. 35 (4). Pp. 041804.
18. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980.
19. Физические величины / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.
20. Матюнин В.М., Марченков А.Ю., Демидов А.Н. Исследование влияния размерного эффекта на результаты определения твёрдости на разных масштабных уровнях // Технология металлов. 2013. № 6. С. 53—54.
---
Для цитирования: Бочаров Г.С., Елецкий А.В., Федорович С.Д. Лазерное и электронно-лучевое упрочнение металлов с наноуглеродным покрытием // Вестник МЭИ. 2019. № 5. С. 32—44. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-32-44.
#
1. Prikhod'ko V.M., Petrova L.G., Chudina O.V. Metallofizicheskie Osnovy Uprochnyayushchikh Tekhnologiy. M.: Mashinostroenie, 2003. (in Russian).
2. Eletskiy A.V. Mekhanicheskie Svoystva Uglerodnykh Nanostruktur i Materialov na ikh Osnove. UFN. 2007;177;3:233—274. (in Russian).
3. Chernogorova O., Drozdova E., Ovchinnikova I., Soldatov A., Ekimov E. Structure and Properties of Superelastic Hard Carbon Phase Created in Fullerene-metal Composites by High Temperature – High Pressure Treatment. J. Appl. Phys. 2012;111—112:601.
4. Chernogorova O.P., Drozdova E.I., Blinov V.M., Ovchinnikova I.N. Vliyanie Davleniya na Obrazovanie Sverkhuprugikh Tverdykh Chastits v Sisteme Metall- fulleren i Tribologicheskie Svoystva Kompozitsionnykh Materialov, Armirovannykh Takimi Chastitsami. Metally. 2011;2:63—70. (in Russian).
5. Tchernogorova O.P. e. a. Superhard Carbon Particles Forming from Fullerites in a Mixture with Iron Powder. Mat. Sci. Eng. 2001;299:136.
6. Drozdova E.I., Chernogorova O.P., Borodina T.I., Milyavskiy V.V. Effect of the Composition of Initial Fullerites on the Structure and Properties of Hard and Elastic Carbon Phase Formed in Metallic Matrix under Pressure. Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. 2008; 16;5—6:301—305.
7. Chernogorova O.P., Drozdova E.I., Blinov V.M., Bul'enkov N.A. Struktura i Svoystva Sverkhuprugikh i Tverdykh Uglerodnykh Chastits, Armiruyushchikh Iznosostoykie Kompozitsionnye Materialy, Poluchennye iz Smesi Poroshkov Zheleza i Fullerenov pod Davleniem. Rossiyskie Nanotekhnologii. 2008;3;5—6:150—157. (in Russian).
8. Bakshi S. R., Lahiri D., Agarwal A. Carbon Nanotube Reinforced Metal Matrix Composites — а Review. Int. Materials Rev. 2010;55;1:41—64.
9. Kim K.T., Cha S.I., Hong S.H., Hong S.H. Microstructures and Tensile Behavior of Carbon Nanotubes Reinforced Cu Matrix Nanocomposites. Mater. Sci. Eng. 2006;430:27—33.
10. Reibold M., Paufler P., Levin. A., Kochmann W., Pätzke N., Meyer D.C. Carbon Nanotubes in an Ancient Damascus Sabre. Nature. 2006; 444;7117:286.
11. Chudina O.V. i dr. Lazernoe Legirovanie Konstruktsionnykh Staley Nanouglerodnymi Materialami. Tekhnologiya Mashinostroeniya. 2017;9:5—9. (in Russian).
12. Bocharov G.S. i dr. Optimizatsiya Uprochneniya Stal'noy Poverkhnosti Uglerodnymi Nanostrukturami s Posleduyushchey Obrabotkoy Vysokointensivnymi Istochnikami. Poverkhnost'. Rentgenovskie, Sinkhrotronnye i Neytronnye Issledovaniya. 2018;1:33—39. (in Russian).
13. Bocharov G.S. i dr. Issledovanie Mekhanizma Poverkhnostnogo Uprochneniya Staley Nanouglerodnymi Materialami s Ispol'zovaniem Lazernogo Nagreva. Fizika Metallov i Metallovedenie. 2018; 119;2:211—216. (in Russian).
14. Chudina O.V., Eletskiy A.V., Terent'ev E.V., Bocharov G.S. Modifitsirovanie Stal'noy Poverkhnosti Nanouglerodnymi Materialami s Ispol'zovaniem Kontsentrirovannykh Potokov Energii. Metallovedenie I Termicheskaya Obrabotka Materialov. 2018;6 (756):27—32. (in Russian).
15. Churilov G.N. e. a. Synthesis of Fullerenes in a High-frequency Arc Plasma under Elevated Helium Pressure. Carbon. 2013;62:389—392.
16. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of Graphitic Oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958;80:1339—1346.
17. Afanas'ev V.P. e. a. Evolution of Photoelectron Spectra at Thermal Reduction of Graphene Oxide. J. Vacuum Sci. and Techn. 2017;35 (4):041804.
18. Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Yadernaya Fizika. M.: Nauka, 1980. (in Russian).
19. Fizicheskie Velichiny. Pod Red. I.S. Grigor'eva, E.Z. Meylikhova. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
20. Matyunin V.M., Marchenkov A.Yu., Demidov A.N. Issledovanie Vliyaniya Razmernogo Effekta na Rezul'taty Opredeleniya Tverdosti na Raznykh Masshtabnykh Urovnyakh. Tekhnologiya Metallov. 2013;6:53—54. (in Russian).
---
For citation: Bocharov G.S., Eletskii A.V, Fedorovich S.D. Laser and Electron Beam Strengthening of Metals with Nanocarbon Coating. Bulletin of MPEI. 2019;5:32-44. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-32-44.
Downloads
Published
2018-10-29
Issue
Section
Industrial Power System (05.14.04)
