CC BY
2205.16.09 Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.03.016 УДК 621.793.79
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖАРОСТОЙКОСТИ ПОКРЫТИЯ Т^А1^Ь НА МОДЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ ПОРШНЕВОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
А. В. Собачкин, М. В. Логинова, В. И. Яковлев, А. А. Ситников, А. Ю. Мясников, М. Р. Сыровежкин
Настоящая работа посвящена определению жаростойкости газодетонационных покрытий на основе СВС порошков состава Т—А—^. С помощью установки «Катунь М» были получены покрытия из интерметаллидных порошковых материалов Ti-Al-Nb на модельных образцах из поршневого алюминиевого сплава. В качестве детонирующего состава использовалась смесь пропан-бутана и кислорода. По результатам исследования установлено, что после 400 и 500 циклов напыления в обоих случаях сформированы равномерные многофазные покрытия, состоящие из интерметаллических соединений: ТАЗ, ТА1, Т'13А1, ^2А1. Отжиг каждого напыленного образца производился в муфельной печи в воздушной среде при температурах 300 °С, 450 °С и 550 °С в течение часа. Сохранение фазового состава при температурах до 550 °С свидетельствует о жаростойкости покрытий при данных температурах. В ходе работы установлено, что покрытия на основе интерметаллидных СВС-порошковых материалов составаТ—А—^ будут способны защитить поршень от прогара и других вредных факторов повышенного термического воздействия, т. к. температуры поршня, а именно самой горячей его части - днища, практически 2 раза ниже максимальной температуры, при которой проводились испытания.
Ключевые слова: СВС-порошковые материалы, Ti-Al-Nb, поршневой алюминиевый сплав, детонационно-газовое напыление, жаростойкость.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение жаростойкости и увеличение ресурса деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одной из важных проблем автомобильной индустрии, для успешного решения которой требуется постоянное увеличение жаростойкости сплавов, улучшение качества и технологии изготовления деталей. Одной из нагруженных деталей ДВС является поршень. Помимо высокого давления и больших инерционных нагрузок, на поршень также действуют нагрузки тепловые, возникающие в результате трения и сгорания топливовоздушной смеси [1].
С целью усовершенствования работы поршня его поверхности зачастую подвергают различным типам обработки [2, 3], а также наносят различные виды покрытий [4]. Для решения задачи увеличения жаростойкости с целью повышения ресурса поршня ДВС, предлагается использовать технологию дето-национно-газового напыления [5]. Покрытия, полученные данным способом, обладают значительной износостойкостью, высокой твердостью, жаростойкостью и существенной эрозионной стойкостью [6]. Покрытия состава ТнА1^Ь, полученные из предварительно ме-ханоактивированных, а затем синтезированных интерметаллических порошковых материалов [7, 8], в отличие от широко распро-
страненного нитрида титана, представляются как жаростойкие, способные сохранять свои эксплуатационные свойства при повышенных рабочих температурах. Целью настоящей работы является исследование жаростойкости детонационных покрытий из СВС - порошковых материалов интерметаллического состава ТнА1^Ь на модельных образцах поршневого алюминиевого сплава.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Для проведения детонационно-газового напыления покрытий в качестве подложек применялся высококремнистый заэвектоид-ный алюминиевый сплав марки АК21М2,5Н2,5, применяемый при изготовлении поршня двигателей внутреннего сгорания. Очистку образцов (рисунок 1) перед напылением производили пескоструйной воздушно-абразивной обработкой на аппарате пневматического действия АПС-22 [9].
Для напыления использовались порошковые материалы, полученные методом высокотемпературного синтеза (СВС). Для СВС применялись порошки титана ПТХ со средним размером частиц 80 мкм и порошки алюминия АСД-1 со средним размером 20 мкм, легированные ниобием НбП-1а.
Рисунок 1 - Алюминиевая заготовка: а) до обработки; б) после обработки в пескоструйной камере
Из указанных порошков приготавливалась механическую смесь в соотношении Т 39 ат. % + А1 36 ат. % + Nb 25 ат %. Затем полученная порошковая смесь подвергалась механоактивированной обработке на планетарной шаровой мельницы АГО-2 с водяным охлаждением [10]. Центростремительное ускорение цилиндров - 40 д, время механоак-тивации - 7 мин. Для защиты от окисления барабаны с образцами вакуумировались и затем заполнялись аргоном до давления 0,3 МПа. Для реализации СВС в режиме динамического теплового взрыва использовали установку на базе СВЧ индуктора [11]. Меха-ноактивированная смесь засыпалась в графитовый тигель и уплотнялась вместе с термопарой под давлением. После чего тигель помещался в индуктор, находящийся в вакуумной камере. Далее увеличивая мощность
индуктора, инициировали процесс высокотемпературного синтеза путем нагрева смеси высокочастотными электромагнитными полями.
Напыление синтезированных порошковых материалов на модельные образцы алюминиевого сплава производилось на де-тонационно-газовой установке «Катунь-М» (рисунок 2).
В качестве детонирующего состава использовалась пропан-бутан-кислородная смесь. Детонационное напыление осуществляется путем подачи в канал горючих и окислительных газов в соотношении, близком к стехиометрическому. Нанесение порошковых материалов на поверхность образцов осуществлялось проведением 300, 400 и 500 циклов на каждый образец соответственно.
Фазовый состав образцов исследовался на дифрактометре рентгеновском ДРОН-6, (CuK а-излучение, Л = 1,5418 А) с для автоматизацией процесса обработки рентгенограмм.
Измерение толщины покрытия проводилось с использованием толщиномера ETARI ET-555 pro (погрешность измерения менее 3 %). Отжиг каждого напыленного образца производился в муфельной печи в воздушной среде, при температурах 300 °С, 450 °С и 550 °С в течение часа.
Вес образцов контролировали на лабораторных аналитических весах СЕ224-С.
1 - система зажигания; 2 - собственно блок напыления установки; 3 - дозатор порошковый; 4 - станция газораспределения; 5 - свеча зажигания; 6 - система охлаждения; 7 - манипулятор для перемещения детали
Рисунок 2 - Схема детонационной установки
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рисунке 3 представлены образцы после 300, 400 и 500 циклов напыления соответственно.
В таблице 1 представлены измерения толщины покрытий.
На дифрактограмме, снятой с образца № 1 (300 циклов напыления), наблюдаются
только отражения, соответствующие А1, т. е. подложки, свидетельствующие о том, что толщина сформировавшегося покрытия (27 мкм) не достаточна для исследования фазового состава. Поэтому последующий отжиг проводили на образцах с большим количеством циклов напыления.
а) б) в)
а) 300 циклов напыления; б) 400 циклов напыления; в) 500 циклов напыления Рисунок 3 - Напыленные образцы:
Таблица 1 - Результаты измерения толщины покрытий
№ образца Количество циклов напыления Толщина покрытия по трем замерам, мкм Средняя толщина, мкм
1 300 22 26 33 27
2 400 72 87 83 81
3 500 149 198 157 168
с ^
1
3
23 £2 ¿А 25 ¿£ ЗЭ 32 54- 33 ИЗ +2 44 4£ -ЧЕ-
23 52 14. 25 15 50 32 54 35 40 42 44 46 ¿5. гт^ч-а. 52 54- 55 55 60 52 £4-65 55 ТВ Т2 74 76 ТК 5-3
б)
Рисунок 4 - Образец 2 (400 циклов напыления): а) до отжига; б) после отжига при Т = 550 °С 90 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 3 2020
а 8 0
— 1 А т; с 3 ■г 3
.1 г Ч .. 1 = ь 111 о г к 3' £ .,1 Й § 1,1 й;
ЕН 1ИЧГПГ1 ЬыАкЬлШ м* 1
1 ч г п 11 1 ■■ г 1 1 11 г ■ > г п г
б)
Рисунок 5 - Образец 3 (500 циклов напыления): а) до отжига; б) после отжига при Т= 550 °С
На рисунках 4, 5 представлены дифрак-тограммы с образцов № 2 (400 циклов) и № 3 (500 циклов), снятые до и после отжига при Т = 550 0С.
Из рентгенофазового анализа следует, что в обоих образцах после напыления идентифицируется многофазовый состав покрытий. Покрытия состоят из интерметаллических соединений: ^А13, Т1А1, Т^А1, Nb2Al, находящихся в неравновесном состоянии, и остаточный Nb. Также наблюдается небольшое количество ТЮ2. Уширенные отражения со-
единений с низкой интенсивностью качественно свидетельствуют о высоком уровне микронапряженного состояния покрытий, возникших в результате напыления.
После проведенного отжига изменений на дифрактограммах не наблюдается. Сохранение фазового состава при Т = 550 °С свидетельствует о жаростойкости покрытий при данной температуре. На рисунках 6, 7 представлены графики изменения весовых характеристик образцов.
400 4Б0
температура, °С
Рисунок 6 - График изменения веса образца № 2
30.358 30.3575 30.357 30,3565 30,356 30,3555 30.355 30,3545
температура, °С
Рисунок 7 - График изменения веса образца № 3
При температуре отжига 550 °С наблюдается незначительное увеличение массы образцов, за счет образования небольшого количества окислов, что подтверждает рент-генофазовый анализ (рисунки 4, 5).
ВЫВОДЫ
1. После 400 и 500 циклов детонацион-но-газового напыления СВС-порошковыми материалами интерметаллидного состава Ti-Al-Nb на модельные образцы поршневого алюминиевого сплава в обоих случаях сформированы равномерные многофазные покрытия, состоящие из интерметаллических соединений: TiAl3, TiAl, Ti3Al, Nb2Al.
2. Сохранение фазового состава при Т = 550 °С свидетельствует о жаростойкости покрытий при данной температуре.
3. Покрытия на основе Ti-Al-Nb способны защитить поршень от прогара и других вредных факторов повышенного термического воздействия, т. к. температуры поршня, а именно самой горячей его части - днища, практически в 2 раза ниже максимальной температуры, проводимой при испытании.
Работа проводилась в рамках государственного Задания (FZMM-2020-0002) и гранта Президента РФ (соглашение 075-152020-234).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технология ремонта изношенных поршней / А. А. Бондарев // Сварщик. - 1999. - № 6. - С. 17.
2. Восстановление канавок алюминиевых поршней тракторных двигателей импульсно-дуговой наплавкой в среде защитных газов / В. Я. Зусин, Г. Н. Вайнер, В. Н. Черноиванов // Сварочное производство. - 1982. - № 11. - С. 37-38.
3. Упрочнение кольцевых канавок поршня дизеля электроннолучевой обработкой / К. С. Кровя-ков, М. В. Радченко // Техника машиностроения. -2000. - № 3. - С. 23-25.
4. Практика использования концентрированных потоков энергии для сварки и создания защитных покрытий / М. В. Радченко, С. Г. Уварова, Ю. О. Шевцов, Т. Б. Радченко, В. А. Марков // Пол-зуновский вестник. - 2012. - № 1/1. - С. 248-254.
5. Особенности формирования покрытий из алюмоматричного углеродсодержащего композиционного материала при газодетонационном напылении / А. В.Собачкин, В. И. Яковлев, А. А. Ситников, М. В. Логинова, С. Г. Иванов, А. П. Свиридов // Фундаментальные проблемы современного
материаловедения. - 2015. - Т. 12. - № 4. -С. 444-449.
6. Детонационные покрытия в машиностроении / С. С. Бартенев, Ю. П. Федько, А. И. Григоров. -Л. : Машиностроение, Ленингр. отделение, 1982. -215 с.
7. Процессы структурообразования при дето-национно-газовом нанесении защитных покрытий из композиционных порошков TIAL3, NI3AL /
B. Ю. Филимонов, В. И. Яковлев, М. А. Корчагин, М. В. Логинова, А. С. Семенчина, А. В. Афанасьев // Физика горения и взрыва. - 2008. - Т. 44. - № 5. -
C. 106-111.
8. Особенности структурного состояния меха-нокомпозитов на основе алюминия для газодетонационного напыления покрытий / А. А. Ситников, А. В. Собачкин, В. И. Яковлев, М. В. Логинова, А. П. Свиридов // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2017. - № 12 (78). - С. 20-25.
9. ГОСТ 3647-80. Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и зерновой состав. Методы контроля - Введ. 1982-01-01. - Москва : Издательство стандартов, 2004. - 19 с.
10. The features of structure formation in mechanically activated powder mixture 3TI+AL in the thermal explosion mode / V. Y. Filimonov, A. A. Sytni-kov, V. I. Yakovlev, M. V. Loginova, A. V. Afanasyev, A. Z. Negodyaev // Applied Mechanics and Materials. -2014. - V. 621. - P. 71-76.
11. Получение композиционных материалов системы Ti-Al-Nb методом высокотемпературного синтеза / А. В. Собачкин, М. В. Логинова, А. А. Ситников, В. И. Яковлев, В. Ю. Филимонов, А. Ю. Мясников // Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара. - 2020. - С. 159-160.
Собачкин Алексей Викторович, с.н.с. ПНИЛ С ВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползуно-ва, e-mail: [email protected].
Логинова Марина Владимировна, с.н.с. ПНИЛ СВС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Яковлев Владимир Иванович, доцент кафедры НТТС, к.т.н., АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: [email protected].
Ситников Александр Андреевич, директор ПВКПИиР, д.т.н., профессор, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Мясников Андрей Юрьевич, зав. лабораторией, ПНИЛ СВС, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
Сыровежкин Михаил Романович, аспирант ПНИЛ СВС, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, е-mail: [email protected].
