CC BY
14DOI: 10.25712^т2072-8921.2019.01.034 УДК 621.793.79
НАНЕСЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ СВС-МЕХАНОКОМПОЗИТОВ ГАЗОДЕТОНАЦИОННЫМ МЕТОДОМ
А. В. Собачкин, А. А. Ситников, В. И. Яковлев
Настоящая работа посвящена установлению особенностей нанесения покрытий для различных областей техники с помощью технологии газодетонационного напыления порошковых СВС-механокомпозитов. Нанесение покрытий осуществлялось на экспериментальной установке газодетонационного напыления «Катунь М». В качестве детонирующего состава использовалась смесь пропан-бутана и кислорода. Были нанесены газодетонационным методом и исследованы следующие виды покрытий: покрытия, предназначенные для обеспечения высокой износостойкости узлов и агрегатов; покрытия, предназначенные для защиты изделия от коррозии в особо агрессивных средах. Порошковая смесь для напыления представляла собой композиты вида «матрица - частицы с особыми свойствами» Получение композита осуществлялось путем механоактивационной обработки в планетарной шаровой мельнице АГО-2С. В ходе работы определены наиболее рациональные режимы напыления покрытий, исследованы макро- и микроструктура, топография поверхности, а также свойства покрытий (микротвердость, износостойкость), проведен энергодисперсионный и рентгенофазовый анализ исходных материалов и газодетонационных покрытий. Применение слоистых механо-композитов с металлической и интерметаллидной матрицей для газодетонационного напыления позволяет обеспечить сохранение фазового и элементного составов исходной порошковой смеси в нанесенном покрытии.
Ключевые слова: порошковая смесь, механическая активация, композиционная смесь, матрица, газодетонационное напыление, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, оптическая микроскопия, износостойкость, микротвердость, растровая электронная микроскопия.
В современных условиях особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного использования материалов, энергии и трудовых ресурсов, а также экологические проблемы. Поверхностный слой детали в условиях эксплуатации подвергается наиболее сильному механическому, тепловому, магнитно-электрическому, световому и другим воздействиям. Потеря деталью своего служебного назначения и ее разрушение, в большинстве случаев, начинается с поверхностного слоя, например, возникновение и развитие усталостной трещины, коррозия, эрозия, износ и др. [1, 2].
Поэтому интенсификация рабочих процессов в различных видах узлов и агрегатов, а также расширение области использования того или иного изделия, требует от материалов сочетания свойств, в ряде случаев, исключающих друг друга. В этом случае целесообразно использовать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования: основу детали изготавливать из одного материала, который обеспечит прочность и заданные параметры конструкции, а на поверхности, которые должны обладать специальными свой-
ствами, наносить тонкие слои других материалов, придавая поверхностным слоям необходимые свойства.
В связи с этим в промышленности находят все более широкое применение и имеют большие перспективы методы газотермического нанесения покрытий с последующей финишной обработкой нанесенного слоя либо без такой обработки. Известные в литературе [2] сведения о газотермических способах нанесения покрытий свидетельствуют о том, что, в силу специфических свойств наносимых покрытий и условий эксплуатации восстанавливаемых деталей, каждый из них находит свое применение в области создания покрытий.
Среди способов газотермического напыления покрытий, предназначенных для работы в наиболее тяжелых условиях при действии экстремальных нагрузок и температур, наиболее перспективным является газодетонационный. Этот метод нанесения покрытий позволяет получать покрытия при меньшем нагреве напыляемой детали, что позволяет избежать деформации последней в процессе напыления, а также исключить неблагоприятные явления, сопутствующие процессу при нагреве детали, такие как насыщение поверхности изделия газами.
Физико-механические и эксплуатационные свойства газодетонационных покрытий существенно превышают аналогичные показатели покрытий, полученных другими газотермическими методами. Кроме того, для газодетонационного напыления используется более простое оборудование по сравнению с плазменными или плазменно-вакуумными способами нанесения покрытий. Низкая газопроницаемость, высокая износо-, коррозионно- и жаростойкость покрытий, возможность получения диэлектрических покрытий, работающих при высоких температурах, покрытий, используемых в качестве твердой смазки, а также покрытий для восстановления изношенных деталей являются характерными для газодетонационного напыления.
По мнению многих ученых [3-7], одним из перспективных методов получения порошковых материалов (в том числе, для газодетонационного напыления) является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). В основе метода СВС лежит реакция экзотермического взаимодействия двух или нескольких химических элементов, протекающая в режиме направленного горения после локального инициирования процесса.
Специфическое преимущество СВС-процессов заключается в отсутствии или существенном снижении энергозатрат за счет использования экзотермического эффекта реакций и в высокой скорости синтеза. Благодаря таким особенностям СВС, как высокая температура, превышающая в большинстве случаев температуру плавления хотя бы одного из реагентов, высокая скорость внутреннего саморазогрева, протекание реакций в условиях резкого градиента температур, метод позволять получать материалы с повышенными свойствами, а в ряде случаев удается синтезировать композиции, получение которых другими известными способами требует больших затрат и/или сложного дорогостоящего оборудования либо вообще невозможно [4].
Эффективным средством, позволяющим целенаправленно влиять на структурное состояние реакционной шихты и параметры СВС, обеспечивая тем самым возможность регулирования механизмов фазо- и структурообразова-ния материалов в процессе синтеза, а также воспроизводимость результатов, является предварительная механоактивационная обработка [8-11].
Относительно новым является метод механически активируемого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, основанный на сочетании механоактивации и СВС и представляющий собой двустадийный процесс.
На первом этапе реакционная шихта обрабатывается в течение сравнительно короткого времени в энергонапряженном аппарате - активаторе, на втором - используется в качестве реакционной смеси для СВС. В общем случае продукт механически активируемого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза характеризуется более тонкой и гомогенной структурой при повышенной глубине превращения по сравнению с СВС-продуктами без использования механоактивации [12]. При этом в зависимости от типа активатора и режима механообработки можно существенно менять как механизм процесса, так и фазовый состав получаемого продукта. Кроме того, особенности взаимодействия реагентов в механоактивированных материалах (снижение температуры и увеличение скорости химического реагирования) обеспечивает возможность проведения процесса на воздухе без окисления. При этом, механоакти-вация позволяет получать методом СВС легированные материалы с повышенной концентрацией легирующих элементов (выше значения предельной растворимости) [13-15].
На основании вышеизложенного целью работы является установление особенностей получения покрытий для различных областей техники с помощью технологии газодетонационного напыления порошковых СВС-механокомпозитов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Нанесение покрытий осуществлялось на экспериментальной установке газодетонационного напыления «Катунь М». Она предназначена для нанесения покрытий из порошковых материалов на рабочие поверхности различных изделий с целью придания им качественно новых свойств. В качестве детонирующего состава используется смесь пропан-бутана и кислорода.
В целом, в работе были нанесены газодетонационным методом и исследованы следующие виды покрытий:
а) покрытия, предназначенные для обеспечения высокой износостойкости узлов и агрегатов;
б) покрытия, предназначенные для защиты изделия от коррозии в особо агрессивных средах.
В качестве материала для получения газодетонационных покрытий использовался ряд порошковых смесей, предназначенных для создания на поверхности изделия необходимых свойств. Порошки представляют собой композиты вида «матрица - частицы с особыми свойствами». Исходная размерность всех указанных порошков составляла 40...100 мкм. Получение композита осуществлялось путем механоакти-вационной обработки в планетарной шаровой
мельнице АГО-2С. Обоснование применения каждого из видов порошковой смеси дано ниже.
Одним из эффективных способов достижения высокой износостойкости является введение в поверхностный слой изделия твердых сплавов, таких как тугоплавкие карбиды металлов. Износостойкость рабочей поверхности существенным образом зависит от типа и количества твердой фазы в полученном поверхностном слое. К примеру, путем больших усилий и энергозатрат металлургически удается ввести в изделие упрочняющую фазу в виде определенного содержания карбидов: FезС; МП3С; С17С3; W2C; WC; VC; TiC; В4С, Мо2С, и др., а также кар-боборидов, нитридов железа и легирующих элементов. В связи с этим для нанесения износостойкого покрытия в работе использовалась порошковая смесь синтезированных в матрице карбидов титана.
Перспективным направлением для создания коррозионностойких покрытий является применение минерального сырья. Например, в работе [16] для этого используется порошок базальта, однако недостатком таких покрытий является неравномерность и относительно невысокая микротвердость материала поверхностного слоя. Для уменьшения указанных недостатков в настоящей работе в целях создания корро-зионностойких газодетонационных покрытий применялась порошковая смесь «базальт - никель-хромовая матрица».
Структурно-фазовый анализ порошковой композиционной смеси и образцов с покрытиями осуществлялся на дифрактометре рентгеновском общего назначения ДРОН-6, на медном излучении CuKa (Х=1,5418 A). Образцы подготавливались по стандартным методикам, а дифракто-граммы всех образцов регистрировались в идентичных условиях, что позволило более корректно сравнивать полученные величины [17, 18]. Шаг сканирования h=0,05 °, время экспозиции t=3 сек. Обработку и анализ экспериментальных данных осуществляли с помощью пакета программ PDWin.
Исследование макроструктуры материалов осуществлялось на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer Z1 m. Для определения морфологии различных порошковых смесей и газодетонационных покрытий использовался растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO 50 XVP, снабженном микроанализатором EDS X-Act (Oxford Instruments) с Si-drift детектором [19, 20]. Топография поверхности была определена путем компьютерного трехмерного моделирования на основе данных, полученных с помощью интерфе-рометра-профилометра Veeco NT 9080.
Для измерения твердости газодетонационных покрытий использовался микротвердомер
для проведения испытаний по Виккерсу 402 MVD с возможностью работы в автоматическом и ручном режиме в диапазоне нагрузок 0,01-2 кг.
Триботехнические свойства материалов определялись на триботехническом комплексе. Испытания производились по схеме «диск-колодка» при вращательном движении в режиме сухого трения. Материал диска - сталь 40, на колодку происходило напыления покрытий. Износостойкость оценивалась по величине весового износа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Порошковая смесь для создания износостойкого покрытия была получена по технологии механически активируемого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [21]. На первом этапе порошковую смесь, состоящую из углерода, титана и матрицы на основе №Сг, подвергают предварительной ме-ханоактивационной обработке в планетарной шаровой мельнице-активаторе. После такой обработки порошковая смесь является слоистым механокомпозитом вида Т + С + X % №Сг (рис. 1).
После получения механокомпозита следует второй этап технологического процесса синтеза - проведение реакции СВС, необходимой для образования карбида титана в относительно ограниченном объеме матрицы. В результате реакции удается синтезировать стехиометрический карбид титана ТЮ.
После газодетонационного напыления полученной порошковой смесью был проведен оптический анализ поперечного среза образца с покрытием (рис. 2), который показал относительную неравномерность распределения карбидного зерна по объему покрытия.
Рисунок 1 - РЭМ-изображение механокомпозита после обработки в активаторе
а) оптическая микроскопия
б) растровая электронная микроскопия
Рисунок 2 - Структура поперечного среза газодетонационного покрытия с карбидными включениями
Следующим этапом исследований было проведение энергодисперсионного анализа напыленного покрытия по поперечному срезу. Результаты представлены в таблице 1. Картина распределения элементов по поперечному срезу позволяет судить, что в покрытии присутствуют карбиды титана, а также составляющие матрицы - прежде всего, никель и хром.
Таблица 1 - Результаты энергодисперсионного анализа поперечного среза покрытия с синтезированными в матрице карбидами титана
Элемент С э/ Т/ Сг
Весовой %, ± 0,01 % 12.24 0.49 26.17 1.53
Атомный %, ± 0,01 % 32.43 0.55 17.39 0.94
Элемент Мп Ре N1
Весовой %, ± 0,01 % 0.35 42.55 16.07
Атомный %, ± 0,01 % 0.20 24.25 23.29
Определение топографии поверхности покрытия показало, что шероховатость составляет от Ra 2,43 до Ra 5,26. Относительно высокую шероховатость поверхности можно объяснить применяемым сырьем и способом получения покрытия.
Следует отметить, что для газодетонационных покрытий отсутствует четкая линейная взаимосвязь между микротвердостью поверхностного слоя и его износостойкостью. Поэтому были проведены экспериментальные исследования износостойкости образцов с покрытием, определяемой по величине весового износа. Испытывали покрытия с различным процентным содержанием металлической матрицы. Данные по определению износостойкости приведены на рисунке 3. Установлено, что увеличение процентного содержания металлической матрицы в композиционном материале приводит к росту весового износа. Так, например, при изменении содержания №Сг от 20 % до 60 % весовой износ при нагрузке в 950 Н увеличился примерно в 2 раза. Процесс износа характеризуется быстрым ростом в начале пути трения и дальнейшей его стабилизацией. Это не противоречит известными данными по износостойкости различных материалов [8, 10].
Энергодисперсионный анализ порошковой смеси «базальт - ЫЮг» показал, что в состав порошка, помимо матрицы в виде соединений N и Сг, входят следующие компоненты в виде соединений с кислородом: магний, алюминий, кремний, кальций и железо.
Рисунок 3 - Результаты определения износостойкости
После напыления базальтовой смесью был проведен ряд исследований, направленных на изучение свойств получившегося детонационного покрытия. Оптическая (рис. 4, а) и растровая электронная (рис. 4, б) микроскопия поперечного среза покрытия показали, что детонационное покрытие на основе базальта является плотным, слоистым, без видимых пор на поперечном срезе.
а) оптическая микроскопия
б) растровая электронная микроскопия
Рисунок 4 - Результаты микроскопии поперечного среза базальтового покрытия
Результаты измерения микротвердости базальтового покрытия в виде графической зависимости приведены на рисунке 5. Поскольку покрытия из базальта ожидаемо будет обладать стойкостью к агрессивным средам, то область его применения будет конкурировать с покрытиями из электрокорунда. Поэтому для сравнения на том же рисунке приведена графическая зависимость изменения микротвердости по перечному срезу газодетонационного покрытия, полученного из электрокорунда.
о 100 200 300 <100 500
расстояние напоиеречнонсрезе от покрытия до основы, ыкы
Рисунок 5 - Микротвердость поперечного среза газодетонационных покрытий
По результатам определения топографии поверхности базальтового покрытия была установлена величина шероховатости, которая определяется прибором с высокой точностью, и составляет от Ra 3,45 до Ra 4,61, что может быть приемлемо для деталей, эксплуатирующихся без последующей обработки. Относительно высокую шероховатость поверхности можно объяснить применяемым сырьем и способом получения покрытия.
ВЫВОДЫ
1. Применение слоистых механокомпози-тов с металлической и интерметаллидной матрицей для газодетонационного напыления позволяет обеспечить сохранение фазового и элементного составов исходной порошковой смеси в нанесенном покрытии. Выполненный рентге-нофазовый анализ позволил установить, что фазовый состав порошковой композиционной смеси не меняется в процессе напыления, что позволит в достаточно широком диапазоне управлять свойствами покрытия за счет изменения фазового состава исходной композиционной смеси.
2. Анализ результатов исследований износостойкости газодетонационных покрытий с синтезированными в матрице карбидами титана показал, что износ образцов с покрытием по сравнению с образцами из закаленной стали 40Х в 8-10 раз меньше. Это позволяет рекомендовать газодетонационный способ нанесения покрытий на основе карбида титана для изделий, работающих в условиях высокого абразивного и эрозионного изнашивания.
3. По итогам исследований покрытия на основе базальта установлено, что изделия с таким покрытием обладают сравнительно высокой твердостью. Фазовый состав исходного порошка базальта и газодетонационного базальтового покрытия не изменяется, что позволяет сделать вывод о возможном наследовании таких свойств базальта, как чрезвычайная коррозионная стойкость. Поэтому изделии с покрытиями на основе базальта будут способны противостоять воздействию высоко агрессивных сред (например, в условиях морской воды), что повлечет увеличение срока службы таких узлов, как винты двигателей морских и речных судов.
Часть исследований выполнялась в рамках государственного Задания № 11.1085.2017/4.6 на НИОКР Министерства науки и высшего образования РФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wear resistance and wear mechanism of welded surfacing layers containing internally produced carbide particu-lates / S.-L. Yang, X.-Q. Lu, S.-N. Lou, Z.-D. Zo // Mocaxue
Xuebao. - 2004. - Vol. 24. - № 6. - P. 508-511.
2. Evaluation of wear resistance of products on the basis of mechanically activated materials / A.V. Sobachkin, A.A. Sit-nikov, A.P. Sviridov // Applied Mechanics and Materials. -2015. - Vol. 698. - P. 374-377.
3. Application of mechanical alloying and self-propagating synthesis for preparation of stable decagonal quasicrystals / B.B. Bokhonov, M.A. Korchagin // Journal of Alloys and Compounds. - 2004. - Vol. 368. - P. 152-156.
4. An investigation of the synthesis of nickel aluminides through gasless combustion / K.A. Philpot, Z.A. Munir, J.B. Holt // Journal of Materials Science. - 1987. - Vol. 22. - № 1. - P. 159-169.
5. Stimulation of processes of self-propagating high temperature synthesis in system Ti + Al at low temperatures by influence of Y-quanta / A.V. Sobachkin, M.V. Loginova, A A. Sit-nikov, V.I. Yakovlev, V.Yu. Filimonov, A.V. Gradoboev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. -2018. - Vol. 327. - P. 032051.
6. Combustion synthesis of NiAl/Al2O3 composites by induction heating / X. Zhu, T. Zhang, V. Morris, D. Marchant // Intermetallics. - 2010. - Vol. 18. - № 6. - P. 1197-1204.
7. Application of self-propagating high-temperature synthesis and mechanoactivating treatment for producing multi-component composite alloying materials / V.I. Yakovlev, A.V. Sobachkin, A.A. Sitnikov // Applied Mechanics and Materials. -2013. - Vol. 379. - P. 173-177.
8. Formation of structural states in mechanically activated powder mixtures Ti + Al exposed to gamma irradiation / M.V. Loginova, V.I. Yakovlev, V.Y. Filimonov, A.A. Sitnikov, A.V. Sobachkin, S.G. Ivanov, AV. Gradoboev // Letters on Materials. - 2018. - Vol. 8. - № 2. - P. 129-134.
9. Dynamics of phase transformation during thermal explosion in the Al-Ni system: Influence of mechanical activation / A.S. Mukasyan, J.D.E. White, D.Y. Kovalev, N.A. Kochetov, V.I. Ponomarev, S.F. Son // Physica B. - 2010. - Vol. 405. - № 2. - P. 778-784.
10. Mechanoactivation of SHS system and Processes / E.A. Levashov, V.V. Kurbatkina, A.S. Rogachev, N.A. Kochetov // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2007. - Vol. 16. - № 1. - P. 46-50.
11. Analysis of the influence of high temperature synthesis parameters on the structure formation in the mechanically activated 3Ti+Al powder mixture / M.V. Loginova, V.Yu. Filimonov, V.I. Yakovlev, A.A. Sytnikov, AZ. Negodyaev, D.V. Shreifer // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vol. 788. - P. 117-122.
12. Mechanical activation and gasless explosion: nanostructural aspects / AS. Mukasyan, B.B. Khina, R.V. Reeves, S.F. Son // Chemical Engineering Journal. - 2011. -Vol. 174. - № 2-3. - P. 677-686.
13. Mechanical alloying in SHS research / F. Bernard, E. Gaffet // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2001. - Vol. 10. - P. 109-131.
14. Rapid consolidation of nanocrystalline AI2O3 reinforced N—Fe composite from mechanically alloyed powders by high frequency induction heated sintering / Na-Ra. Park, Dong-Mok Lee, In-Yong Ko, Jin-Kook Yoon, In-Jin Shon // Ceramics International. - 2009. - Vol. 35. - № 8. - P. 3147-3151.
15. In-situ time resolved X-ray diffraction study of the formation of the nanocrystalline NbAb phase by mechanically activated self-propagating high-temperature synthesis reaction / V. Gauthier, F. Bernard, E. Gaffet, C. Josse, J.P. Larpin // Materials Science and Engineering A. - 1999. - Vol. 272. - № 2. - P. 334-341.
16. Детонационное напыление покрытий из базальта / В.И. Яковлев, В.Н. Шабалин, А.В. Собачкин // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств : межвузовский сборник трудов. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2009. - С. 237-242.
17. X-ray diffraction analysis of the influence of the absorbed Y-irradiation dose on Ti3Al structural characteristics / M.V. Loginova, V.I. Yakovlev, A.A. Sitnikov, V.Y. Filimonov, A.V. Sobachkin, A.V. Gradoboev // Journal of Surface Investigation. - 2018. - Vol. 12 - № 3. - P. 480-484.
18. The evolution of structural and phase states of titanium aluminides after y irradiation in small doses / M.V. Loginova, V.I. Yakovlev, A.A. Sitnikov, A.V. Sobachkin, S.G. Ivanov, A.Z. Negodyaev, A.V. Gradoboev // Physics of Metals and Metallography. - 2017. - Vol. 118 - № 2. - P. 170-175.
19. Industrial application of thixomet image analyzer for quantitative description of steel and alloy's microstructure / A.A. Kazakov, D. Kiselev // Metallography, Microstructure and Analysis. - 2016. - № 5. - P. 294-301.
20. Research on the origin of nonmetallic inclusions in high-strength low-alloy steel using automated feature analysis / A.A. Kazakov, S. Ryaboshuk, D. Lyubochko, L. Chigintsev // Microscopy and Microanalysis. - 2015. - Vol. 21. - № 3. - P. 1755-1756.
21. Microwave assisted combustion synthesis in mechanically activated 3Ti + Al powder mixtures: structure formation issues / V.Yu. Filimonov, A.A. Sitnikov, A.V. Afanas'ev, M.V. Loginova, V.I. Yakovlev, A.Z. Negodyaev, D.V. Schreifer, V.A. SoloVev // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2014. - Vol. 23. - № 1. - P. 18-25.
Собачкин Алексей Викторович, с.н.с. ПНИЛ СВС, к.т.н, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, Email: anicpt@rambler.ru;
Ситников Александр Андреевич, директор ИТЦ, д.т.н., профессор, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, E-mail: sitalan@mail.ru;
Яковлев Владимир Иванович, доцент кафедры НТТС, к.т.н, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, E-mail: anicpt@rambler.ru;
