CC BY
41
УДК 621.793; 669.8; 621.762; 669.018.45; 532.696.1
А.П. УМАНСКИЙ1, Е.Н. ПОЛЯРУС1, М.С. УКРАИНЕЦ1, А.У. СТЕЛЬМАХ2, А.В. КУЩЕВ2
1Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича HAH Украины, Киев 2Национальный авиационный университет, Киев
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ИЗНАШИВАНИЯ ОКСИДОВ ТИТАНА, ХРОМА И ЦИРКОНИЯ ПРИ ТРЕНИИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
В статье представлены результаты испытаний газотермических покрытий из оксидов Сг203, Tiö2, Zrö2 в условиях высокотемпературного трения. Покрытия из оксидов наносились методом плазменного напыления. Триботехнические свойства оксидов исследовались по схеме «pin-on-disc» при Т = 500 °C. Данные исследования показали, что оксид хрома обладает наибольшей износостойкостью благодаря формированию в процессе трения на его поверхности сложного оксидного слоя (NiCrAl)x0y который предотвращает непосредственный контакт покрытия с контр-телом и уменьшает износ в данной паре трения.
Ключевые слова: покрытия, Cr203, Tiö2, YSZ, высокотемпературные трибоиспыта-ния, композиционные материалы, интерметаллид NiAl, дисперсное армирование.
Введение
Одной из важнейших задач конструкторов аэрокосмических аппаратов является создание износостойких материалов для работы в экстремальных условиях, например для использования в паре трения «торец лопатки — корпус двигателя» в ГТД нового поколения [1]. К материалам, предназначенным для использования в вышеприведенных парах трения, выдвигаются ряд требований, таких как высокотемпературная коррозионно-, жаро- и износостойкость.
Интерметаллиды на базе никеля, в частности МА1, широко используются в аэрокосмической промышленности как материал для жаро-и коррозионностойких покрытий [1-2]. При этом, износостойкость данного материала в узлах трения при высоких температурах низкая из-за разрушения, под действием интенсивных пластических деформаций, образующейся на поверхности №А1 защитной оксидной пленки А12О3 материала в зоне трения [3-6]. Для повышения износостойкости интерметаллидных покрытий в их состав вводятся тугоплавкие добавки [1, 3-5, 7, 8].
Ранее были проведены исследования, которые показали, что введение в состав покрытия на базе исходного интерметаллида тугоплавких боридов существенно повышает износостойкость композиционных покрытий [3-5, 7, 8] за счет, с одной стороны, снижения деформации контактного слоя, а с другой — из-за того, что оксиды образующиеся на поверхности туго-
плавких включений, могут служить твердой смазкой в узлах трения и, тем самым, оказывать положительное влияние на триботехнические характеристики покрытий. Очевидно, что различные оксиды по-разному влияют на процесс трения. Цель данной работы — исследовать особенности механизмов изнашивания плазменных покрытий СГ2О3, ТЮ2 и У82 (стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония) для установления влияния оксидных пленок, образующихся в зоне трения, на закономерности изнашивания композиционных покрытий №А1-15% СгВ2 (тут и далее масс.%), №А1-15% 2гВ2 и №А1-15% Т1В2.
1. Экспериментальная часть
В качестве исходных компонентов для получения покрытий использовались серийные порошки СГ2О3, ТЮ2 и У82 фракции 60-100 мкм. Стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония использовался вместо диоксида циркония, так как последний отсутствует в виде порошков для напыления.
Плазменные покрытия напылялись на воздухе с помощью установки УПУ-3Д. В качестве плазмообразующего газа использовалась смесь аргона с водородом, транспортирующего газа — аргон. Толщина покрытий составила ~500 мкм. В качестве подслоя использовался порошок ПТ85Ю15, состав которого примерно соответствует интерметаллиду М3А1.
Трибоиспытания проводились на машине трения, оснащенной высокотемпературным
© А.П. Уманский, Е.Н. Полярус, М.С. Украинец, А.У Стельмах, А.В. Ку щ ев, 2014 - 166 -
модулем (Т = 500 °C) по схеме «pin-on-disc». Оксиды наносились на торцы цилиндрических образцов (h = 10 мм, 0 = 5 мм). В качестве контртела использовали стальные диски с покрытием NiAl. Параметры испытаний: нагрузка Р = 2 МПа, скорость вращения V = 0,02 м/с, путь S = 1 км. До и после трибоиспытаний фиксировался вес (с точностью до 0,0001 г) каждого из образцов. Весовые потери каждого образца переводились в линейный износ.
Микроструктуру и химический состав поверхностей трения испытанных покрытий исследовали на микроанализаторе РЭМ-106И.
2. Результаты и обсуждение
Коллективом авторов ранее были проведены исследования с целью разработать композиционный материал системы NiAl-MeB2 для получения покрытий, имеющих высокий уровень износостойкости при повышенных температурах [3-5, 7, 8].
Для апробации полученных материалов в виде покрытий были проведены их высокотемпературные трибоиспытания (Т = 500 °C) по схеме «pin-on-disc» . В качестве контр-тел использовались стальные диски, покрытые NiAl. Полученные результаты трибоиспытаний приведены на рис. 1.
№Л1- №А1- №А1 15%СгВ2 15%ггВ2 ]5%Т\В2
Рис. 1. Интенсивность изнашивания покрытий
Результаты испытаний показали, что дисперсное армирование МА1 приводит к значительному повышению износостойкости покрытий по сравнению с исходным интерметаллид-ным покрытием. Наибольшую износостойкость продемонстрировало покрытие №А1-15% О^. При анализе дорожек трения на поверхности покрытий были обнаружены оксидные пленки на базе А1 и элементов, составляющих дибо-риды [3-5, 7, 8].
Более высокую износостойкость покрытия на базе СгВ2 можно объяснить его меньшей теплопроводностью (теплопроводность дибо-рида хрома, циркония и титана равна 31.8, 58, 62.4 Вт/м-К соответственно). Благодаря низкой теплопроводности, образованное в результате трения тепло из зоны контакта отходит менее интенсивно. Это способствует образованию в зоне трения оксидных пленок, которые работают как твердая смазка.
Для изучения влияния оксидов, образующихся в зоне трения, на износостойкость композиционных покрытий проведены высокотемпературные трибоиспытания оксидных покрытий СГ2О3, Т1О2 и У82. Результаты высокотемпературных трибоиспытаний оксидов приведены на рис. 2. мм/км
2 1 1
0
сг2о2 уьг тю2
Рис. 2. Интенсивность изнашивания оксидных покрытий
При сравнении графиков (рис. 1 и рис. 2) интенсивности износа покрытий №А1-15% СгВ2, №А1-15% 2гВ2, №А1-15% Т1В2 с графиками Сг2О3, У82, Т1О2 отмечается их корреляция. Как и в случае с композиционными покрытиями, наибольшую износостойкость показал оксид хрома (0,596 мм/км), в то время как оксид циркония имеет наименьшую износостойкость (1,958 мм/км). Интенсивность износа диоксида титана составила 1,202 мм/км.
Основываясь на результатах трибоиспыта-ний можно сделать вывод, что износостойкость композиционных покрытий зависит от износостойкости соответствующих оксидных пленок, образующихся в зоне трения.
Для установления характера износа оксидных покрытий были проанализированы их поверхности трения (рис. 3-5).
Дорожки трения покрытия У82 характеризуются небольшим количеством внешних дефектов. Полученная поверхность трения состоит содержанием N1 (80 %) и А1 (18 %) (рис. 3, а, фаза 2).
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2014
- 167 -
Рис. 3. Поверхности трения УБ2: а — дорожка трения, б — поперечное сечение
Первая фаза, очевидно, является исходным покрытием У82 . Вторая, согласно результатам микроанализа поперечного сечения дорожки трения (рис . 3, б), является подслоем (ПТ85Ю15), что свидетельствует о высокой изнашиваемости покрытия
Поверхность трения ТЮ2 (рис. 4, а) является однофазной, состоящей, преимущественно из титана (30%) и кислорода (60%), что соответствует исходному покрытию диоксида титана. Данный факт указывает на отсутствие интенсивного трансфера материала контр-тела на поверхность стержня. Дорожка трения характеризуется наличием большого количества трещин, которые, как показал микроанализ поперечного сечения дорожки (рис. 4, б), распространены по всему объему покрытия. Причинами появления этих трещин, очевидно, являются напряжения, возникающие в результате действия высоких температур и нагрузок в зоне контакта стержня с контр-телом. Данные трещины отделяют фрагменты покрытия, которые отслаиваются и выносятся в зону трения. Такой механизм износа является основным для покрытия ТЮ2.
Металлографические исследования зоны трения покрытия из оксида хрома показали, что этот материал наименее подвержен интенсивному растрескиванию и разрушению, и как следствие, изнашиванию (рис. 5, а-в).
Согласно результатам микрорентгеноспек-трального анализа поперечного сечения (рис. 5, в, г), поверхность трения Сг2О3 равномерно покрыта слоем материала, перенесенного из поверхности контр-тела, который состоит, преимущественно, из N1, А1 и О. Толщина данного слоя находится в пределах 4-12 мкм. Основные дефекты дорожки трения Сг2О3 (рис. 5, в) — полосы скольжения, образованные продуктами трения в пластичном слое перенесенного материала контр-тела. Также встречаются участки вырывания данного слоя в результате его схватывания с поверхностью контр-тела. Очевидно, в начале процесса трения основным механизмом износа Сг2О3 было механическое истирание покрытия. С повышением температуры в зоне контакта интерметаллидное покрытие контр-тела становится пластичным и трансфер материала контр-тела на поверхность образца интенсифицируется.
Рис. 4. Поверхности трения Т1О2: а — дорожка трения, б — поперечное сечение
Cr 2000
в
О 100
М60
AI 300
\ Покрытие Cr г О} Поверхность трений
vI.FIIk
IG |im
б г
Рис. 5. Поверхности трения СГ2О3: а — дорожка трения (БЕ-излучение), б — топография дорожки трения, в — поперечное сечение, г — МРСА поперечного сечения
Благодаря этому оксид хрома покрывается сложной оксидной пленкой (№СгА1)хОу, которая предотвращает его износ (рис. 5, г). В процессе трения данные продукты трансфера накапливаются и отслаиваются. Более мелкие отслоения задерживаются на участках вырывания и играют роль микро-абразива. Крупные отслоения уносятся из зоны контакта, оставляя характерные полосы на поверхности дорожки трения, покрытой слоем материала контр-тела (рис. 5, б)
Выводы
В результате высокотемпературных трибо-испытаний покрытий Сг2О3, УБ2, Т1О2 установлено, что оксид хрома обладает наибольшей износостойкостью. Причиной этого является формирование на поверхности Сг2О3 сложного оксидного слоя (МСгА1)хОу, который предотвращает непосредственный контакт покрытия с контр-телом и уменьшает износ в данной паре трения.
Основным механизмом износа Т1О2 является хрупкое разрушение покрытия, в результате накопления напряжений, возникающих при высоких температурах и нагрузках в зоне трения.
Покрытие YSZ (стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония), обладая наименьшей износостойкостью, в результате механического износа истерлось до подложки.
Полученные данные полностью коррелируют с результатами изнашивания композиционных покрытий систем NiAl-MeB2. Таким образом, можно сделать вывод о том, что на интенсивность изнашивания композиционных покрытий оказывают существенное влияние оксиды, образующиеся на поверхности соответствующих боридов.
Литература
1. Уплотнительные материалы для проточного тракта ГТД/ В. П. Мигунов, Д. П. Фарафонов, М. Л. Деговец, Т. И. Ступина // Авиационные материалы и технологии. — 2012. — С. 9.
2. NiAl and its Alloys/ D. B. Miracle, R. Darolia // Structural Applications of Intermetallic Compounds — 2000. — С. 55-74.
3. Исследование структуры и свойств композиционных материалов и покритий из них на основе системы NiAl-TiB2/ А. П. Уманский,
а
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2014
— 169 —
Е. Н. Полярус, М.С. Украинец, А. Г. Довгаль, нашивания в условиях высокотемпературных
Л .М .Капитанчук, В .И .Субботин // Авиационно- трибоиспытаний/ А.П .Уманский, Е.Н.Полярус,
космическая техника и технология. — 2013 . — А. Д . Костенко, А. Е . Терентьев // Проблемы
№10 (107) . - С. 20-24. трибологии . - 2012 . - № 3 . - С . 123-127.
4. Effect of ZrB2, CrB2 and TiB2 Additives on 7. Вплив температури випробувань на
the Tribological Characteristics of NiAl-Based триботехшчш характеристики композицшних
Gas-thermal Coatings/ O. Umanskyi, O. Poliarus, покритв системи NiAl-CrB2/ М.С.Украшець,
M. Ukrainets, I. Martsenyuk // Key Engineering О.П. Уманський, О.М . Полярус, О.В . Кущев,
Materials. - 2014. - Vol. 604 - P. 20-23. О.У.Стельмах // Луцьк: Науков1 нотатки.- 2013 .
5 . Влияние добавок тугоплавких боридов - №41 ч.2 . - С . 206-212.
на механизмы изнашивания плазменных по- 8. Influence of CrB2 additives into NiAl in-
крытий на основе интерметаллида NiAl / termetallics on tribological properties of thermal
А. П . Уманский, Е . Н . Полярус, А. Д . Костенко, spray coatings at high temperature friction/ O .
М.С .Украинец // Проблеми трибологи (Problems Umanskyi, O .Poliarus, M . Ukrainets, O.Kostenko,
of Tribology) . - 2014. - №1. - С. 46-52. O . Terentyev // Conference MET-2013: Materi-
6. Влияние состава покрытий на основе als, Environment, Technology - Latvia, Riga,
интерметаллидов никеля на механизмы их из- June 19-20, 2013 . - P. 37-43.
Поступала в редакцию 10.06.2014
О.П. Уманський, О.М. Полярус, М.С. Украшець, О.У. Стельмах, О.В. Кущев. Дослщження мехатзм1в зношування оксид1в титану, хрому та циркондо при терт в умовах високих температур
В cmammi представлеш резулътати випробувань газотерм^чних покритт1в i3 оксидов Cr^0:,, TiO2,ZrO2 в умовах високотемпературного тертя. Покриття з оксидiв наносилися методом плазмового напилювання. Tрибологiчнi власmивосmi оксидiв долджувалися за схемою «pin-on-disc» при T = 500 °C. Даш до^дження показали, що оксид хрому володie найвищою зносостшкстю завдяки формуванню в процеЫ тертя на його поверхш складного оксидного шару (NiCrAl)x0y, який запобгае безпосереднъому конmакmовi покриття з контр-тыом i знижуе знос в данш парi тертя.
Ключов1 слова: покриття, Cr^O:^, Ti02, YSZ, високотемпературш трибодо^дження, композицшш маmерiали, iинmермеmалiд NiAl, дисперсне армування.
O.P. Umanskyi, O.M. Poliarus, M.S. Ukrainets, O.U. Stelmah, O.V. Kushchev. Investigation of titania, chromia and zirconia wear mechanisms under high temperature friction
Results of high temperature friction tests of Cr^0:,,Ti0^, Zr02 gas-thermal oxide coatings was presented in this work.. Coatings was obtained by plasma spraying method. Tribotechnical properties of oxides was investigated by «pin-on-disc» scheme under T = 500 °C. These investigationss showed that chromium oxide possess the highest wear resistance due to formation of complex (NiCrAl)x0y oxide film on Cr^03 surface during friction process, that prevent immediate contact of coating and counter-body and decrease wear in this friction couple.
Key words: coating, C^03, Ti02, YSZ, high temperature tribotests, composite materials, NiAl intermetallic, dispersive reinforcing
