CC BY
412УДК 621.791.92
Структура и свойства покрытий «карбид титана - титан», полученных электронно-лучевой порошковой наплавкой
12Криницын Максим Германович 1 Томский политехнический университет, Россия, Томск 2Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия, Томск
E-mail: krinmax@gmail.com
Исследована структура покрытй Ti-TiC с разным содерданием титановой связки, нанесенных композиционными порошками, полученными с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Структура покрытий исследована с применением рентгеноструктурного анализа и металлографии. Измерен размер карбидных частиц в покрытиях, а также твердость и износостойкость покрытий.
Ключевые слова: титан, карбид титана, электронно-лучевая наплавка, самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Structure and properties of coatings «titanium carbide - titanium», produced by electron beam powder surfacing
12Krinitsyn Maksim Germanovich 1Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk 2Institute of Strength Physics and Materials Science, Russia, Tomsk E-mail: krinmax@gmail.com
A structure of Ti-TiC coatings with different contents of titanium binder, overlaid of composite powders, which were obtained by self-propagating high-temperature synthesis, was investigated. The structure was studied by X-ray analysis and metallography. A size of the carbide particles in coatings, hardness of coatings and rate of wear were measured.
Keywords: titanium, titanium carbide, electron beam facing, self-propagating high temperature synthesis
Введение. Износостойкие покрытия на титановые сплавы представляют большой практический интерес, так как титан и его сплавы обладают низкой износостойкостью из-за склонности к схватыванию в контактных парах практически со всеми металлическими материалами [1]. Толщина покрытий, наносимых на поверхность титана и его сплавов методами азотирования, оксидирования, хромирования, никелирования, вакуумно-дугового и магнетронного осаждения слишком мала, чтобы обеспечить необходимый ресурс работы деталей с покрытиями. Кроме того, в большинстве перечисленных выше методов существует проблема адгезии - надежного сцепления покрытия с подложкой.
Для получения «толстых» износостойких покрытий на титан и его сплавы широко используется порошковая наплавка, причем состав порошковой присадки подбирают таким образом, чтобы получить композиционное покрытие, имеющее структуру матричного композита с дисперсными включениями частиц тугоплавких соединений (карбидов, боридов, силицидов) в титановой матрице. Особый интерес в качестве твердой и тугоплавкой упрочняющей фазы в металломатричных композитах на основе титана представляет карбид титана. Для получения наплавленных композиционных покрытий «TiC-Ti» обычно используются механические смеси порошков титана, карбида титана и графита в различных сочетаниях [2-7]. Характерно, что практически во всех описанных случаях лазерной или электронно-лучевой наплавки частицы карбида титана выпадают из расплава-раствора титан-углерод на стадии его кристаллизации при охлаждении. Поэтому
контролировать морфологию, дисперсность и объемную долю карбидных включений в структуре металломатричного композита очень трудно.
Эта проблема контроля структуры наплавленного покрытия легко решается применением для наплавки композиционных порошков «ТЮ - титановая связка» с заранее заданными вышеперечисленными характеристиками структуры. Необходимо только подобрать такие технологические режимы наплавки, при которых не происходит перегрева гранул порошка с растворением карбидных включений в расплаве. В настоящей работе исследована структура и фазовый состав композиционных порошков, полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) в порошковых смесях титан - углерод.
Структура и свойства наплавленных покрытий. Для улучшения наплавляемости к композиционным порошкам с различным содержанием титановой связки добавляли порошок титана в количестве, необходимом для получения порошковых смесей с интегральным содержанием связки 80%. Микроструктура покрытий, наплавленных порошковыми смесями, содержащими композиционные порошки четырех исследованных составов, приведена на рисунке 1. Структура покрытий представляет собой светло-серые частицы карбида титана, окруженные титановой связкой. Размер карбидных частиц тем меньше, чем больше титановой связки было в синтезированном порошке.
Рис. 1. Микроструктура наплавок ТЮх-Т1 полученных на воздухе СВС синтезированием с дошихтовкой титаном до 80об.%Т1 с расчетным (х=1)
исходным содержанием титана:
а) 30 об.%, б) 40 об.%, в) 50 об.%, г) 60 об.%
В покрытиях, наплавленных композиционным порошком с расчетным содержанием связки 30об.% Наблюдается значительная разница в размере карбидных частиц - с одной стороны это крупные (>100 мкм) пористые частицы,
с другой стороны мелкие (<20 мкм) частицы в титановой связке. В связи с продолговатой формой многих мелких частиц, можно предположить, что большинство из них - титановые, с характерной для титана игольчатой формой, а зерна, имеющие более округлую форму - это карбидные зерна, отделившиеся от крупных частиц в процессе наплавления покрытия. В покрытиях остальных составов разброс по размеру карбидных частиц не так велик. Зависимость среднего размера зерна в исследуемых наплавленных покрытиях приведена на рисунке 2.
Характер зависимости твердости покрытий от содержания связки в СВ-синтезированных порошках приведен на рисунке 3. Наблюдается тенденция на снижение твердости с увеличением содержания связки в порошках. Это можно объяснить, во-первых тем, что твердость нестихеометричного карбида ниже твердости стехиометричного, а с увеличением содержания связки в композиционных порошках карбид титана становится менее стехиометричным и во-вторых тем, что титановая связка обладает низкой твердостью, поэтому увеличение её содержания в композите приводит к снижению твердости в целом.
Рис. 2. Средний размер зерна в наплавках Т10+Хоб%Т1 полученных на воздухе СВС синтезированием с дошихтовкой титаном до 80об.%Т1
Рис. 3. Твердость наплавок ТЮ+Хоб%Т1 полученных на воздухе СВС синтезированием с дошихтовкой титаном до 80об.%Т1
По результатам испытаний покрытий на абразивный износ (рис. 4) выявлена четкая корреляция структуры наплавленных покрытий с их износостойкостью. При одинаковом интегральном содержании связки в покрытиях наибольшую
износостойкость имеет покрытие с дисперсными частицами карбида титана, равномерно распределенными в титановой матрице (рис. 1, г). Минимальную износостойкость при изнашивании кварцевым песком имеет покрытие, состоящее из крупных карбидных частиц, окруженных титановой связкой (рис. 1, а). Таким образом, при увеличении содержания титановой связки в порошковых композитах, несмотря на снижение твердости, покрытия увеличивают свою стойкость к абразивному износу. Для выяснения причин такой зависимости износостойкости от структуры требуются исследования механизма изнашивания.
Рис. 4. Зависимость скорости износа от содержания титановой связки в
наплавках ТЮ+Хоб.%Т1 полученных на воздухе СВС синтезированием с дошихтовкой титаном до 80об.%Т1
Для определения областей эффективного применения наплавленных покрытий с различной структурой необходимо определение износостойкости при других видах испытаний на абразивный износ, а также триботехнические испытания в контактных парах с различными материалами.
Список литературы
1. Zwikker Ulrich, Titan und Titanlegirungen - Springer-Verlag, 1974. - 717 p.
2. Hamedy M.J., Torkamany M.J., Sabbaghzadeh J. Effect of pulsed laser parameters on in-situ TiC synthesis in laser surface treatment. Optics and lasers in engeneering. - 2011. - vol. 49. - pp 557-563.
3. ZHANG Ke-min, ZOU Jian-xin, LI Jun, YU Zhi-shui, WANG Hui-ping. Surface modification of TC4 alloy by laser cladding with TiC+Ti powders. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. - 2010. - vol. 20. - pp 2192-2197.
4. Bataev I.A., Bataev A.A., Golkovski M.G., Krivizhenko D.S., Losinskaya A.A., Lenivtseva O.G. Structure of surface layers obtained by atmospheric electron beam cladding of graphite-titanium powder mixture on to titanium surface. Applied Surface Sciense. - 2013. - vol. 284. - pp 472-481.
5. Weiping Liu, J.N. DuPont. Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by Laser Engeneering Net Shaping. Scripta Materialia. - 2003. - vol. 48. - iss. 9. -pp 1337-1342.
6. V.E. Panin, S.I. Belyuk, V.G. Durakov, G.A. Pribytkov, N.G. Rempe Electron beam surfacing in vacuum: equipment, technology, coatings' properties. Welding production. - 2000. - vol. 2. - pp. 34-38.
7. Korosteleva E.N., Pribytkov G.A., Krinitcyn M.G. Structure and properties of powder cathode materials of titanium - titanium carbide system. Innovative technology and economics in mechanical engineering. National Research Tomsk Polytechnic University. Tomsk, 2014. - pp. 273-276.
8. G.A. Pribytkov, M.N. Khramogin, V.G. Durakov, and V.V. Korzhova. Coatings produced by electron beam surfacing of composite materials consisting of titanium carbide and a binder of high-speed R6M5 tool steel. Welding international. - Vol. 22. - No. 7. -July 2008. - pp. 465-467.
