CC BY
23УДК 620.17, 620.18
12 2 2 А.Н. Бебенин , В.И. Рудый , В.Н. Литовченко , Р.А. Воробьев ,
И.А. Янкитова2,Т.Г. Карнавская2
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ ТУГОПЛАВКИХ ПОКРЫТИЙ, НАНЕСЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ВАКУУМНОГО МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1, ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «БУРЕВЕСТНИК»
В результате проведения испытаний образцов с нанесенным защитным тугоплавким покрытием определены механические характеристики покрытия: микротвердость, модуль упругости, доля упругой работы вдавливания. Показано, что защитное покрытие способно воспринимать необходимый уровень растягивающих напряжение без разрушения адгезионных связей.
Ключевые слова: защитное покрытие, тантал, ионно-плазменное вакуумное магнетронное нанесение, растягивающее напряжение, предел текучести, адгезия, микротвердость, шереховатость.
Для обеспечения живучести на поверхность канала высоконагруженных артиллерийских орудий наносят тугоплавкое защитное покрытие. При дульных энергиях орудий более 20 МДж наиболее перспективным материалом для покрытий считаются сплавы на основе тантала, технология нанесения - ионно-плазменная вакуумная магнетронная.
В данной статье приводятся результаты испытаний образцов орудийной стали с нанесенным танталовым покрытием по технологии HIPIMS bipolar (магнетронной распыление импульсами высокой мощности с дуальной схемой работы магнетронов).
Использование этой технологии позволило создать необходимое по условиям функционирование ствольной трубы работоспособное «толстое» покрытие толщиной до 300 мкм. Анализ качества получаемого покрытия на соответствие требуемым эксплуатационным свойствам готового изделия на стенде контроля характеристик покрытия осуществлялся по следующему алгоритму:
1. Предварительная оценка толщины покрытия (5п) определяется магнитным толщиномером МТ-2007.
2. Шероховатость поверхности покрытия (Ra) на установке Surftest SJ-310R.
3. Механические характеристики (микротвердость по Викерсу - HV, приведенный модуль упругости - E, доля упругой работы вдавливания - nIT) определяются на установке наноидентирования FISCHERSCOPE HM2000.
4. Оценка адгезии покрытия на плоских образцах при трехточечном изгибе на машине Inspekt 100 с выдачей на экран диаграммы «нагрузка - прогиб».
Контроль характеристик покрытия тантала проводится на цилиндрических образцах-свидетелях (рис. 1) диаметром 19 мм и высотой 5.5 мм. Образцы для трехточечного изгиба и их размеры представлены на рис. 2.
© Бебенин А.Н., Рудый В.И., Литовченко В.Н., Воробьев Р.А., Янкитова И.А., Карнавская Т.Г., 2014.
Рис. 1. Образцы - свидетели для проведения контроля
Механические характеристики танталового покрытия, полученные в результате испытаний по представленному алгоритму, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства танталового покрытия
№ образца 5п (мкм) HV (кгс/мм2) E (ГПа) nIT (%) Ra (мкм) HF (балл)
1 50 839 219 33 0.612 HF1
2 100 838 189 35 0.623 HF1
3 150 852 185 36 0.957 HF1
4 200 799 187 35 1.235 HF1
5 300 967 192 39 1.243 HF1
Из табл. 1 видно, что нанесенное танталовое покрытие обладает твердостью 800...970 НУ, что примерно в 1,5 раза выше твердости основного металла, и модулем упругости, близким с модулем стальной основы. Видно, что шереховатость поверхности увеличивается с увеличением толщины наносимого защитного слоя, а оценка адгезии по Роквелл-тесту соответствует высшему баллу ОТ1.
В стволах артиллерийских орудий окружные растягивающие напряжения от действия пороховых газов могут достигать предела текучести основного материала. В материалах с категорией 0-120, 0-130 условный предел текучести составляет: а02 = 1320 - 1430 МПа. Важно, чтобы защитное покрытие, нанесенное на канал ствола, было способно воспринимать такой уровень растягивающих напряжений без разрушения когезионных и адгезионных связей. Наиболее просто такой уровень напряжений можно реализовать испытаниями на 3 х точечный изгиб (рис. 2).
Защитное покрытие толщиной 5п = 50 - 300 мкм располагается в растянутой зоне образца. При принятых размерах образцов с поперечным сечением 10 х 5 и длиной пролета 44
мм нагрузки (Р) прикладываются ступенями: 4; 5.5; 8.2; 10 кН. На каждой ступени фиксируется напряжение в т. 1 на границе «покрытие - основа» или в т. 2 - на поверхности покрытия. Для конкретного испытания защитное покрытие нанесено на образцы из стали ОХН3МФА, термообработанные в основном на 50 ИЯС (условный предел текучести Оо2 = 1450 МПа, временное сопротивление ов = 1600 МПа).
На первой ступени нагружения Р1 = 4 кН в т. 1 растягивающее напряжение достигает величины ~ 1000 МПа и находится в упругой зоне деформирования (рис. 3).
Диапазон предела текучести основного металла образцов
Рис. 3 Диаграмма «Стх - Р»
На второй ступени Р2 = 5.5 кН в точке 1 напряжение достигает величины « 1300 - 1400 МПа, то есть верхнего уровня предела текучести материала образцов. Для качественного покрытия на этой ступени не должно фиксироваться каких-либо повреждений покрытия. На третьей ступени при повышении нагрузки до Р3 = 8.2 кН в основном материале развивается полномасштабная текучесть, напряжение в точке 1 достигает уровня 1500 МПа, в покрытии появляются трещины и сколы.
На четвертой ступени при повышении нагрузки до Р4 = 10 кН идет долом образца при напряжениях, близких к временному сопротивлению материала. На каждой ступени после снятия нагрузки проводится осмотр и фотографирование состояния покрытия и основного металла с использованием микроскопа (рис. 4).
а - вид сверху б - вид сбоку
в - вид сверху г - вид сбоку
Рис. 4 Фотографии поверхности образца №4 с танталовым покрытием:
а, б - нагрузка на образец 5.5 кН; в, г - нагрузка на образец 8.2 кН
Как видно из рис. 3 и рис. 4 а, б при нагрузке 5,5 кН, которая обеспечивает уровень растягивающих напряжений не ниже предела текучести, покрытие не отслаивается и не разрушается. Это говорит об удовлетворительной адгезии покрытия по параметру сцепления при растяжении. При переходе границы нагрузки в полномасштабную текучесть (рис. 3 и рис. 4, в, г) покрытие растрескивается и отслаивается от стальной основы.
Таким образом, анализ механических характеристик исследуемого защитного покрытии показал, что использование магнетронной технологии HIPIMS bipolar позволяет получить танталовое покрытие толщиной до 300 мкм с необходимыми эксплуатационными свойствами.
Дата поступления в редакцию 11.12.2014
A.N. Bebenin1, V.I. Rudy2, I.A. Yankitova2, V. N. Litovchenko2, R. A. Vorobyov2,
T.G. Karnavskaya2
INVESTIGATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF THE PROTECTIVE REFRACTORY COATING APPLIED BY THE METHOD OF ION-PLASMA VACUUM
MAGNETRON SPUTTERING
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alekseev1, Joint Stock Company Central Research Institute "BUREVESTNIK"2
In the test samples with a protective refractory covering is defined mechanical characteristics covering: microhardness, elastic modulus, the elastic portion of the work of indentation. It is shown that the protective covering is able to perceive the necessary level of tensile stress without failure of the adhesive bonds.
Key words: protective covering, tantalum, the ion-plasma vacuum magnetron sputtering, tensile stress, yield stress, adhesion, microhardness, roughness.
