Саша / Мои документы / Разное / Доклад(порошки)

Доклад

Темой моей диссертационной работы является «Структура и свойства защитных покрытий на основе смешанных соединений металлов III-IV группы, полученных методом электронно-лучевой наплавки и плазменным напылением.

Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является повышение качества, надёжности и долговечности деталей, узлов и механизмов. Эта проблема может быть решена на основе комплексного подхода, включающего в себя использование передовых технологий, упрочняющих материалы. В связи с этим возникла необходимость в разработке высококачественных износостойких, коррозионностойких и жаропрочных покрытий, которые способны работать в широком диапазоне температур и противостоять различным разрушающим факторам. Поэтому представляют интерес защитные покрытия на основе смешанных соединений, которые интенсивно развиваются в последние годы. В значительной степени это связано с их тугоплавкостью и возможностью применения при высоких температурах.

Композиты на основе смешанных соединений имеют преимущества перед другими, тем, что они обладают высокой термической и химической стабильностью при высоких температурах и в то же время имеют прочностные характеристики, имеют высокую жаростойкость, что позволяет им работать в Окислительных средах и применять их как огнеупорный материал, а также как структурную составляющую композиционных материалов.

Создание высококачественных покрытий с широким комплексом многофункциональных физико-механических характеристик во многом зависит от способа нанесения покрытий. По литературным данным известно, что в области нанесения упрочняющих, защитных и иных покрытий всё большее значение приобретают процессы с использованием высококонцентрированных источников энергии, таких как электронный и лазерный лучи. Недостатком лазерной обработки является низкий КПД нагрева, составляющий 3-7%, в то время как эффективный КПД нагрева электронным лучом достигает 85-95%. Электронно-лучевая наплавка в вакууме (ЭЛН), благодаря ряду преимуществ, таких как: рафинирование наплавляемого материала, простота, высокая стабильность и надежность электромагнитной системы сканирования электронного луча (по сравнению с механической разверткой лазерного луча), безотходность и экологическая чистота процесса, возможность гибкого управления процессом наплавки путем изменения параметров электронного луча и формирование градиентного покрытия со структурой матричного композита и с необходимыми свойствами, присущи только электронно-лучевой наплавкой. Также известно, что технология плазменного напыления активированных покрытий с аномально высокой концентрацией дисперсных (тугоплавких) частиц отличается прежде всего использованием внутренней запасённой энергией твёрдых частиц с одновременным протеканием химических реакций между компонентами смеси в плазменной среде. В результате химического превращения в двухфазном плазменном потоке существенно увеличивается теплосодержание потока в процессе напыления. Однако покрытия полученные методом плазменного напыления, наряду с другими методами обладают рядом отрицательных свойств. К ним можно отнести: повышенную пористость сформированной структуры и низкая адгезия с подложкой, за счёт возникновения дефектов на границе раздела. Известен целый ряд методов, позволяющих снизить действие этих отрицательных факторов. В их число можно отнести метод воздействия интенсивных электронных пучков на материал (поверхность) плазменных покрытий, который по многочисленным литературным данным, позволяет расширить возможность управления структурообразованием и целенаправленно влиять на изменение свойств упрочнённых поверхностных слоёв.

Учитывая уникальные возможности электронно-лучевой наплавки, плазменного напыления после оплавления электронным лучом, и высокие физико-механические свойства смешанных соединений, на основе которой в данной работе создавались покрытия, а также то, что работ в этом направлении нет, представлялось актуальным.

Исходя из выше изложенного, основной целью являлось изучение формирование структуры, свойств наплавок и плазменных покрытий после оплавления из композиционных порошков различного состава на основе смешанных соединений.

В соответствии с поставленной целью, в работе решались следующие задачи:

1. Изучить структуру, фазовый состав и свойства покрытий полученных двумя методами;

2. Подобрать оптимальный состав для наплавки и оптимальный режим оплавления плазменных покрытий;

3. Исследовать закономерности абразивного износа ЭЛН-покрытий, а также структурные и фазовые изменения, произошедшие в плазменных покрытиях после оплавления электронным лучом.

Использование покрытий на основе смешанных соединений типа (Ti₂AlN, TiNO, Ti₃AlC) в различных областях техники и технологии обусловлено наличием таких свойств, как высокая твёрдость, температура плавления, электропроводность и абразивная износостойкость. В связи с этим в данной работе исследовалось влияние композиционных покрытий на основе Ti₂AlN, TiNO, Ti₃AlC с различными связками и определить их роль в формировании структуры, фазообразовании и свойств покрытий. При этом мы создали несколько вариантов композиций, руководствуясь следующим:

• Добавление к СВС композиту Ti₂AlN, TiNO, Ti₃AlC порошка железа, никеля, меди и титана. Ожидаемый эффект- высокая жидкотекучесть расплава и высокая износостойкость покрытия после наплавки;

• Использование в качестве связки ПГСР должно было также увеличить жидкотекучесть расплава и износостойкость наплавок за счёт дополнительного выделения из расплава наряду с нитридами карбидов хрома повышающих свойства покрытий.

Наплавку производили в 2-4 прохода на стальную, титановую и медную подложку.

Так как работы ещё не полностью завершены, поэтому не все результаты представлены сейчас.

Изучение микроструктуры наплавки состава Ti₂AlN с различными связками, позволило выявить некоторые закономерности в формировании наплавленного слоя. В процессе наплавления, между основным металлом и наплавленным слоем формируется переходная зона. Отсюда следует, что в процессе наплавки происходит интенсивная взаимная диффузия компонентов сплава и подложки, поэтому в результате такого взаимодействия происходит увеличение микротвёрдости подложки в близи границы раздела с покрытием. Отсюда можно сделать заключение, что повышение микротвёрдости участков подложки, прилегающих к покрытию, обусловлено в основном диффузией азота и других легирующих элементов со стороны наплавки. Микротвёрдость у всех составов увеличивается в сторону наплавки.

Микроструктура покрытия состава Ti+Ti₂AlN (10%) на титановую подложку характеризуется неравномерностью, в отдельных участках встречаются крупные конгломераты Ti₂AlN, т.к. не происходит высокотемпературного расплавления или его полного разложения в расплаве связки. Пористость покрытия не превышает 10%. Тем самым подтверждает превосходство электронно-лучевой наплавки перед другими методами. С целью получения ясного представления о ходе формирования наплавленного слоя был проведён послойный рентгенофазовый анализ, который показал, что на поверхности наплавки преобладающей фазой является TiO₂ и чуть с меньшей долей Ti₂AlN, а также присутствуют мелкие фазы TiN, AlN и Ti. В середине наплавки и в переходной зоне РФА показал, что основной фазой является Ti и Ti₂AlN, чем ближе к подложке, тем интенсивность рентгеновских линий Ti и Ti₂AlN уменьшается, как и в поверхностном слое присутствуют мелкие фазы типа TiN, AlN. Также был проведён микроспектральный анализ покрытия. В результате чего КАМЕБАКС не подтвердил, что крупные конгломераты это Ti₂AlN. Исследование показывает, что частица состоит из нитрида титана (св.серые) и нитрида алюминия (белые). В титановом излучении видно, что в этом месте образовался провал, поэтому можно предположить, там образуются легкие металлы с алюминием (темно серые), которых МРСА не может обнаружить. Изучение микроструктуры состава Ti₂AlN (40%) с железом и ПГСР на стальной подложке показало, что основная часть нерасплавленных частиц Ti₂AlN всплыли к поверхности слоя, поэтому на краю покрытия максимальная твёрдость. Сосредоточение композита в поверхностном слое обусловлено малой удельной плотностью композита. В процессе наплавки крупные частицы Ti₂AlN не успели расплавиться из-за высокой температуры плавления свыше 3000⁰С, потому что воздействие электронного луча было ограничено, из-за опасности сквозного проплавления подложки. Подобная структура наблюдается с 10% Ti₂AlN, только с малой долей твёрдой фазы. Также были исследованы покрытия состава с 63% и 50% TiNO c медью. Как было выше сказано, при формировании наплавленного слоя между основным металлом и наплавленным слоем протекает взаимная диффузия компонентов сплава и подложки, поэтому наблюдается увеличение микротвёрдости в переходной зоне. Такие покрытия характеризуются слоистой микроструктурой. При поверхностном слое образуется прерывистый слой с микротвёрдостью с от18 ГПа до 30 ГПа. Результаты рентгенофазового анализа показали, что структура наплавок состоит в основном из фаз Ti₂AlN.На дифрактограммах также присутствуют рефлексы фаз TiAl, нитриды титана, алюминия, железа (с железом и ПГСР), карбиды железа, хрома (с ПГСР) и другие которые металлографически выявить не удалось, вероятно, из-за высокой дисперсности. Сейчас покрытия состава TiNO c медью отданы на РФА, поэтому мы не можем с точностью утверждать, что там образовалось. В соответствии с поставленной задачей, в работе исследовались ЭЛН-покрытия на износостойкость, в условиях абразивного изнашивания о нежёсткозакреплённые абразивные частицы. Наилучшую износостойкость показали покрытия состава Ti+Ti₂AlN (10%) на титановой подложке. В покрытии наплавленной смесью с 90% железа и ПГСР наблюдалось меньшее количество твёрдых включений, чем с 60% железа и ПГСР, что привело к более интенсивному износу. Коэффициент износостойкости в покрытиях состава TiNO c медью не очень высок, из-за прерывистого поверхностного слоя и за неотработанной технологии ЭЛН.

В дальнейшем планируется те же композиции наносить на титановую и медную подложку.

Известно, что металлокерамические покрытия, в том числе оксидные, при высоких температурах обладают рядом специфических свойств, позволяющих использовать их для надёжности защиты жаропрочных материалов. Недостатком напылённых покрытий - хрупкость и неудовлетворительная адгезия могут быть устранены как благодаря использованию передовых технология нанесения покрытий, так и внешними энергетическими воздействиями на их структуру и свойства. В настоящей работе приведены результаты исследования фазообразования, структуры и некоторых свойств плазменных покрытий, в зависимости от состава и условий напыления, а так же после оплавления плазменных покрытий электронным лучом. По данной технологии реализована возможность напыления плотных металлокерамических покрытий составов Al₂O₃+Cr₂O₃ и Al₂O₃+Cr₂O₃+CrN добавление в исходящую смесь нитрида хрома было сделано с целью повышения качества плазменных покрытий, т.к. известно, что при внедрении в плазменную струю нитридов происходит их разложение с выходом тепла химической реакции между компонентами смеси в плазменной струе. В результате увеличивается температура напылённых частиц, что приводит к повышению качества покрытий. Покрытия наносили на стальную подложку с подслоем из сплава Н85Ю15. Плазмообразующим газом служили аргон и аргон с азотом. Исследование микроструктуры напылённого слоя, показало, что сформированные покрытия имеют многочисленные дефекты и рассечения. Для оплавления использовали источник электронов с плазменным эммитером на основе отражательного разряда с полым катодом. Диаметр луча составлял 1 мм, длина развёртки луча 10 мм, ускоряющее напряжение 28 кВ. Исследовали влияние величины тока луча как наиболее легко и плавно регулируемого технологического параметра, на микроструктуру. Оплавление проводили при токе луча 16,20,24 мА (плотность мощности луча составлял соответственно 4460,5600,6720 Вт/см². Исследования показали, что при оплавлении электронным лучом во всех случаях формируются бездефектные литые структуры, толщина которых увеличивается от 100 до 1000 мкм с увеличением плотности мощности электронного луча. Металлографические исследование покрытия состава Al₂O₃+Cr₂O₃ показали, что при токе 16 мА во всех покрытиях произошло упрочнение в довольно узкой зоне от поверхности оплавления. При токе 20 и 24 мА сформировались слоистые структуры с тремя зонами повышенной твёрдости. Зависимость значений микротвёрдости от расстояния до поверхности образца для оплавленных покрытий представлена на рисунке. В первом случае при 20 мА слой составляет 70-100 мкм, второй пик твёрдости находится на расстоянии 175-300 мкм от границы покрытия с подложкой, третий максимум твёрдости находится на поверхности оплавленного покрытия и составляет 4 ГПа. Примерно такая же картина наблюдается при оплавлении плазменного покрытия при параметрах луча 24 мА, здесь тоже наблюдается три зоны повышенной твёрдости. Такая же картина наблюдается у покрытий состава Al₂O₃+Cr₂O₃+CrN. При оплавлении покрытия приводит к изменению микротвёрдости, которая повышается с увеличением тока плотности мощности луча и образованию три зоны повышенной твёрдости. Следует отметить, что покрытия режима плазмы аргон с азотом имеют более высокие значения при всех режимах оплавления, по сравнению с плазмой аргон. Кроме представленных ранее режимов оплавления было проведено оплавление покрытий расфокусированным лучом при токе луча 32 мА. Металлографический анализ структур после оплавления расфокусированным лучом показывает, что видимых изменений не произошло. Слой покрытия остался,таким же пористым с рассечением структуры только в двух случаях в структуре основного металла травителем выявлялась светлая зона, толщина которой по размерам соизмеряется с толщиной покрытия без оплавления. Твёрдость этих слоёв не претерпели изменений и показали те же значения, что и не оплавленные покрытия. Рентгеноструктурные исследования подтверждают такие изменения структурного состояния покрытий после оплавления электронным лучом. После оплавления электронным лучом, согласно результатам РФА в покрытиях появились соединения шпинельного типа: NiAl₂O₄ - в покрытиях Al₂O₃+Cr₂O₃ и NiAl₂O₄, NiCr₂O₄ – в покрытиях Al₂O₃+Cr₂O₃+CrN. Следует отметить, что в покрытиях всех исследуемых составов с увеличением плотности мощности луча, возросли интенсивности рентгеновских линий, соответствующих фазам Ni₃Al, NiAl. В результате чего можно сделать вывод, что большую роль в фазообразовании сыграл подслой из сплава Н85Ю15, способствующий появлению в структуре оплавленных покрытий интерметаллидов Ni₃Al, NiAl. Экспериментально подтверждена возможность объёмного упрочнения оксидных покрытий, полученных плазменным методом, под воздействием электронного луча.