CC BY
6
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 127-137 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-127-137
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)
Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov
Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304
Александр Бурков 1, Валерия Крутикова
2, b
Хабаровский Федеральный исследовательский центр Институт материаловедения ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, 680042, г. Хабаровск, Россия
2
Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, ул. Ким Ю. Чена, 65, 680000, г. Хабаровск, Россия " https://orcid.org/0000-0002-5636-4669. © ЬигкоуакхЙтаИ.ги. Ь https://orcid.org/0000-0001-9977-2809. © пт32697м^паП.сот
ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ
УДК 621.762; 62-408.2
История статьи: Поступила: 02 августа 2022 Рецензирование: 06 сентября 2022 Принята к печати: 08 сентября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022
Ключевые слова: Покрытие
Электроискровое легирование
Нержавеющая сталь А0304
Силицид титана
Коэффициент трения
Коррозия
Жаростойкость
Износ
Микротвердость
Финансирование:
Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ХФИЦ ИМ ДВО РАН, тема номер FWUW-2022-0006.
Благодарности:
Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034).
АННОТАЦИЯ
Введение. Металлокерамические покрытия на основе силицида титана привлекательны для защиты нержавеющей стали А1Б1304 от износа, коррозии и высокотемпературного окисления. Цель работы. Изучение структуры поверхностного слоя нержавеющей стали А1Б1 304 после ЭИЛ в смеси титановых гранул с порошком кремния и исследование жаростойкости, коррозионных и триботехнических свойств полученных покрытий. Методика исследований. Получены Fe-Ti-Si-покрытия на нержавеющей стали А1Б1304 электроискровой обработкой нелокализо-ванным электродом, состоящим из титановых гранул и 2,6...6 об.% смеси порошков титана и кристаллического кремния. Результаты и обсуждение. Показано, что стабильный положительный привес катода наблюдается, когда доля кремния в порошковой смеси не превышает 32 %. В фазовом составе покрытий присутствовали: твердый раствор хрома в железе, силицид титана Т^ц, титан и кремний, что подтверждается данными энергодисперсионного анализа. Твердость Т^ьпокрытий находилась в диапазоне от 10,05 до 12,86 ГПа, что выше, чем у стали А]Ш304 в 5-6 раз. Коэффициент трения покрытий был примерно на 20 % ниже по сравнению со сталью А]Ш304 и находился в пределах 0,71.0,73. Испытания на износ в режиме сухого скольжения показали, что Т^ьпокрытия могут повысить износостойкость стали АК!304 до 6 раз. Жаростойкость покрытий при температуре 900 оС была от 7 до 12 раз выше по сравнению со сталью А]Ш304. Проведенные исследования показали, что новые электроискровые Fe-Ti-Si-покрытия позволяют повысить коррозионную устойчивость, жаростойкость и твердость, а также снизить коэффициент трения и износ поверхности нержавеющей стали А]Ш304.
Для цитирования: Бурков А.А., Крутикова В. О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь АК!304 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2022. - Т. 24, № 4. - С. 127-137. - БО!: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-127-137.
Введение
Аустенитная нержавеющая сталь AISI 304 используется в химической и аэрокосмической промышленности, атомной энергетике, медицине и других областях благодаря высокой кор-
*Адрес для переписки
Бурков Александр Анатольевич, к.ф.-м.н., с.н.с. Институт материаловедения ХФИЦ ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153 680042, г. Хабаровск, Россия Тел.: +79141618954 , e-mail: [email protected]
розионной стойкости [1]. Однако она сильно подвержена износу из-за сравнительно низкой твердости (~200 НУ) [2]. Кроме того, сталь А1Б1 304 начинает активно окисляться при температурах выше 800 оС, а также подвержена питтин-говой коррозии в электролитах [3]. Нанесение твердых и антикоррозионных покрытий на поверхность нержавеющей стали А1Ш 304 призвано уменьшить эти недостатки и расширить сферу ее применения.
Металлокерамические ^К) материалы являются разновидностью металломатричных композитов и сочетают в своем составе металлическую матрицу, армированную частицами керамики. Керамические фазы обеспечивают высокую твердость, а относительно мягкая матрица удерживает керамику и придает такой композиции высокую трещиностойкость и прочность. МК материалы обладают высокой устойчивостью к абразивным воздействиям [4]. Существует два пути получения МК структуры: внедрение керамических частиц в металлическую матрицу или кристаллизация твердых фаз из расплава [5]. МК покрытия привлекают большое внимание исследователей из-за их высокой твердости, износостойкости и коррозионной устойчивости [6]. Одним из перспективных армирующих соединений является силицид титана обладающий высокой температурой плавления, высокой жаропрочностью и стойкостью к высокотемпературному окислению [7,8]. Так, в работе [9] показано, что покрытие с сохранялось в условиях циклического окислении при 900 ^ в течение 1000 ч. Благодаря сильной кова -лентной атомной связи обладает высокой
твердостью и устойчив в условиях абразивного и адгезионного изнашивания [10].
Ранее мы показали возможность одностадийного нанесения покрытий на основе силицида титана электроискровой обработкой (ЭИЛ) титанового сплава нелокализованным анодом из титановых гранул с добавлением порошка кристаллического кремния [11]. Полученные покрытия обладали высокой износостойкостью и жаростойкостью при температуре 900 оС. Было показано, что фаза формируется при взаимодействии кремния с расплавом титана в микрованне разряда. Причем данное взаимодействие может происходить как на поверхности гранул, так и на титановом катоде. В случае обработки стали AISI 304 может реализовываться только первый вариант, поэтому ключевую роль будет играть перенос ^^ материала с титановых гранул на поверхность нержавеющей стали. Как известно, в основе ЭИЛ лежит явление полярного переноса материала с анода на катод, который заключается в выбросе очень горячих микрочастиц электродного материала в микрованну расплава на катоде, перемешиванию этих материалов и быстрому застыванию после окон-
чания разряда [12]. Полярный перенос соблюдается, если эрозия анода превышает эрозию катода в процессе ЭИЛ. От степени полярности будет зависеть доля элементов анода в покрытии и его толщина. Критерий полярности положительно коррелирует с теплофизическими свойствами материалов электродной пары, однако кроме этого на него влияет множество факторов [13]. Поэтому установление полярного переноса и его степени достигается эмпирическим путем. Целью настоящей работы является изучение структуры поверхностного слоя нержавеющей стали AISI 304 после ЭИЛ в смеси титановых гранул с порошком кремния и исследование жаростойкости, коррозионных и триботехнических свойств полученных покрытий.
Методика исследований
Предварительные эксперименты показали, что в случае анодной смеси из титановых гранул и порошка кремния положительный привес катода не наблюдался. Для достижения положительного привеса катода в анодную смесь постепенно добавлялся титановый порошок, поскольку он обладает лучшей электропроводностью по сравнению с кремнием. Частицы титана выполняют функцию контактных мостиков среди частиц кремния и снижают сопротивление системы. Содержание титанового порошка в шихте постепенно повышали, пока не начал наблюдаться стабильный привес катода. Таким образом, концентрация кремния в порошковой смеси составила 31,6 об.%. Гранулы из титанового сплава ВТ1-00 и порошковая шихта в различных соотношениях (табл. 1) засыпались в металлический контейнер, подсоединённый к положительному выводу генератора импульсов, и соответственно гранулы выступали в качестве анода. Порошок кремния марки ПК имел средний размер частиц 10 мкм. Покрытия наносились на подложку из нержавеющей стали AISI304 в форме цилиндра диаметром 12 мм и высотой 10 мм (табл. 2). Подложка подключалась к отрицательному выводу генератора импульсов. Генератор разрядных импульсов IMES-40 вырабатывал импульсы тока прямоугольной формы амплитудой 110 A при напряжении 30 В и длительностью 100 мкс с периодом 1000 мкс. В рабочий объем контейнера подавался аргон со скоростью 10 л/мин для
128
Таблица 1 Table 1
Состав анодных смесей, обозначения и характеристики покрытий Composition of anode mixtures, designations and characteristics of coatings
Обозначение образцов/ Designation of samples Состав порошковой шихты, об.% / Composition of powder mixture, vol.% Содержание шихты в анодной смеси, об.% / Charge content in the anode mixture, vol.% Содержание гранул ВТ1-00, об.% / The content of granules ВТ1-00, vol.% Толщина покрытий, мкм Thickness, ^m
Si Ti
Si2.6 31,6 68,4 2,633 97,367 24,8±7,9
Si6.0 6,048 93,952 21,7±11,2
Таблица 2 Table 2
Химический состав стали AISI304 Chemical composition of AISI304 steel
Элемент / Element Fe Cr Ni Mn Cu P C S
Концентрация, вес. % Concentration, wt. % 66,3...74 18 8 <2 <1 <0,045 <0,03 <0,03
предотвращения азотирования титана. Схема установки для электроискрового осаждения покрытий нелокализованным электродом подробно описана в работах [14, 15].
Структуру покрытий изучали с применением растрового электронного микроскопа (СЭМ) Sigma 300 VP, оснащенного энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) INCA Energy. Фазовый состав покрытий определяли с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-7 в Cu-Ka-излучении. Микротвердость покрытий измерялась на твердомере ПМТ-3М при нагрузке 0,5 Н по методу Виккерса. Износостойкость и коэффициент трения покрытий исследовались по стандарту ASTM G99 - 17 по схеме «стержень на диске». Испытания проводились в режиме сухого скольжения с применением контртела в виде диска из быстрорежущей стали Р6М5 на скорости 0,47 мс-1 при нагрузке 10 Н в течение 600 с. Поляризационные испытания проводились в трехэлектродной ячейке после 30-минутной выдержки образцов в 3,5 %-м растворе NaCl в условиях естественной аэрации при комнатной температуре до установления стационарного значения потенциала коррозии. Сканирование
производилось с использованием потенциоста-
та Р-2Х (Элинс, Россия) со скоростью 10 мВ • с-1
в диапазоне от -1,5 до 0,5 В. Площадь контакта об-
1 2
разцов с раствором электролита равнялась 1 см . Контрэлектрод представлял собой спаренный платиновый электрод «ЭТП-02», электродом сравнения являлся стандартный хлорсеребряный электрод, а в качестве рабочего электрода использовали образцы с покрытием и сталь А1Б1304.
Тест на циклическую жаростойкость проводили в печи при температуре 900 °С. Общее время тестирования составляло 100 часов. Образцы выдерживали при заданной температуре и через некоторые промежутки времени (~6 ч) удаляли и охлаждали в эксикаторе до комнатной температуры. Во время испытания все образцы помещались в корундовый тигель для учета массы отслоившихся оксидов. Изменение массы всех образцов измеряли с использованием лабораторных весов с точностью 0,1 мг.
Результаты и их обсуждение
Покрытия осаждались в течение 180 с, поскольку при дальнейшей обработке масса подложки начинала снижаться вследствие накопле-
ния дефектов и наступления порога хрупкого разрушения покрытия, характерного для ЭИЛ [16]. Результаты рентгенофазового анализа покрытий показывают наличие фаз феррохрома (Бе-Сг) и гексагонального титана (аТ1), образующих матрицу покрытия (рис. 1). Силицид титана (Т15813) и кремний выполняют функцию армирующей керамики. Фаза Т15Б13 образуется при взаимодействии кремния с расплавом титана на поверхности гранул, что сопровождается выделением тепла (ДН°298 = -581,2 кДж/моль) согласно реакции
5Ti + 3Si = Ti5Si3.
(1)
Характерно, что в рентгеновском спектре покрытий наблюдаются рефлексы кремния, но при этом отсутствуют силициды железа. Это может свидетельствовать о неблагоприятных условиях для формирования ферросилиция в условиях низковольтного электрического разряда вследствие высоких скоростей охлаждения материала после окончания разряда. Этим также объясняется гало, заметное на дифрактограммах покрытий в диапазоне углов 20 35...50°, означающее присутствие аморфной фазы в покрытиях. Вследствие этого по результатам рентгенофазового анализа невозможно достоверно судить о
Рис. 1. Участки рентгеновских дифрактограмм Fe-Ti-Si-покрытий на нержавеющей стали AISI304
Fig. 1. X-ray diffraction patterns of deposited coatings
влиянии концентрации кремния в анодной смеси на содержание силицида титана в покрытиях.
На рис. 2, а показано растровое изображение поперечного сечения покрытия Б12.6. Покрытие имеет более темный оттенок по сравнению с подложкой из-за обогащения кремнием и титаном, которые имеют меньший атомный вес по сравнению с элементами стали Л181304. Между осажденным слоем и подложкой нет четких границ и продольных трещин, что указывает на хорошую адгезию Ее-ТьБьпокрытия к стали Л181304. По данным энергодисперсионного анализа (рис. 2, б) в составе покрытия преобладают железо и хром из подложки, что соответствует данным рентгенофазового анализа (см. рис. 1). Концентрация титана и кремния, растворенных в матрице покрытия, находилась в диапазоне от
5 до 20 ат.%. В структуре покрытия встречаются темные включения (рис. 2, в). По данным их ЭДС анализа соотношение титана к кремнию составляет 49,3 к 31,8, что соответствует силициду титана ТЦБц (рис. 2, г). Микроструктура включений представлена столбчатыми кристаллитами, что соответствует микроструктуре Ть Бьпокрытий на титановом сплаве [11]. С ростом концентрации порошка в анодной смеси с 2,6 до
6 об.% средняя толщина покрытий снизилась с 24,8 до 21,7 мкм (см. табл. 1).
На рис. 3 показаны поляризационные диаграммы Ее-ТьБьпокрытий и стали Л181304 в 3,5 % растворе №С1 при комнатной температуре. На основе этих данных были рассчитаны плотность тока коррозии I потенциал коррозии Ес°гг и сопротивление поляризации Яр (табл. 3). Яр было рассчитано с использованием упрощенного выражения
Дп =
babc
2,303/corr(ba + bc )'
(2)
где Ъа и Ъс - это наклоны тафелевского участка анодной и катодной кривых соответственно. Из табл. 3 следует, что потенциалы коррозии были близкими для обоих покрытий и значительно больше, чем у нержавеющей стали Л181304. Это говорит о том, что Ее-ТьБьпокрытия позволяют снизить активность поверхности нержавеющей стали к самопроизвольной коррозии. Плотность тока коррозии покрытий была от 1,8 до 2,1 раз
130
Рис. 2. СЭМ-изображения поперечного сечения покрытия Si2.6 в режиме обратно-отраженных электронов при увеличениях 4,7Х (а) и 20X (е); ЭДС -распределение элементов по глубине покрытия (б) и энергодисперсионный спектр точки 1 (г). Черными стрелками указаны включения
силицида титана
Fig. 2. SEM-image of the cross-section of the Si2.6 coating in the back scattered electrons mode at magnifications of 4.7X (a) and 20X (e); EDS-distribution of elements over the coating depth (б) and EDS spectrum of point 1 (г). The black arrows indicate inclusions of titanium silicide
ниже, чем у нержавеющей стали А1Б1304 (табл. 3). Образец Si2.6 показал самый высокий потенциал коррозии и самую низкую плотность тока коррозии. Рассчитанное сопротивление поляризации осажденных покрытий было в четыре раза выше по сравнению с исходной сталью А1Ш304. Несмотря на высокую коррозионную стойкость стали А1Б1304, обусловленную высоким содержание хрома (см. табл. 2), можно заключить, что применение электроискровых Fe-Ti-Si-покрытий позволяет значительно улучшить ее антикоррозионные свойства.
На рис. 4, а показаны средние значения микротвердости, измеренные на поверхности покры-
тий. С ростом кремния в анодной смеси твердость покрытий снизилась с 12,86 до 10,05 ГПа. Таким образом, нанесение Fe-Ti-Si-покрытий позволяет значительно повысить твердость поверхности стали АК1304 (1,9 ГПа). Высокая твердость покрытий обусловлена в первую очередь наличием фазы твердость которой составляет 9,5 ГПа [17, 18]. Более высокая твердость нанесенных покрытий объясняется измельчением структуры вплоть до аморфного состояния из-за высоких скоростей охлаждения материала после завершения разряда при ЭИЛ [19].
На рис. 4, б показана динамика коэффициента трения покрытий по сравнению с нержа-
Рис. 3. Тафелевские поляризационные диаграммы покрытий по сравнению с нержавеющей сталью AISI304
Fig. 3. Tafel polarization diagrams of coatings compared to AISI304 stainless steel
Таблица 3 Table 3
Коррозионные параметры покрытий, рассчитанные по наклонам поляризационных кривых
Corrosion parameters of coatings calculated from the slopes of polarization curves
Si6.0 Образцы
а
Параметры / Parameters Образцы / Samples
AISI304 Si2.6 Si6.0
E , V corr.' -0,68 -0,57 -0,603
'corr 27,5 13,1 15,1
R , кОм p' 2,5 10,1 10,7
веющей сталью AISI304. Из него следует, что нанесение Ti-Si-покрытий позволяет снизить коэффициент трения стали AISI304 на 20 % -с 0,9 до 0,73. С ростом содержания кремния в анодной смеси средние значения коэффициента трения слабо снижались с 0,73 до 0,71. С ростом содержания кремния в анодной смеси средние значения износа покрытий возрастали от 1,07 • 10-6 до 1,45 • 10-6 мм3/Н • м, что согласуется с данными по твердости (рис 4, а). В целом нанесение Fe-Ti-Si-покрытий позволя-
200 300 400 Путь трения, м
б
Рис. 4. Микротвердость (а), коэффициент трения и приведенный износ при нагрузке 10Н (б)
Fig. 4. Microhardness (a), coefficient of friction and wear rate at a load of 10N (б)
ет повысить износостойкость поверхности стали AISI304 с 4,6 до 6,2 раз.
На рис. 5, а показано изменение массы образцов с Fe-Ti-Si-покрытиями и стали AISI304 при температуре 900 оС в условиях естественной аэрации. Привес образцов с покрытиями за 100 часов испытаний составил от 23,3 до 37,9 г/м .
132
а б
Рис. 5. Жаростойкость образцов при температуре 900 °С на воздухе (а) и рентгеновские дифрактограммы их поверхности после испытания на жаростойкость (б)
Fig. 5. High-temperature oxidation resistance of samples at a temperature of 900 °C in air (a) and X-ray patterns of its surface after high-temperature oxidation resistance test (б)
Наименьший привес наблюдался у образца Si2.6, который также показал лучшую коррозионную стойкость. Образцы с покрытиями подверглись коррозии в 7.12 раз меньше, чем сталь А1Ш304. Привес обусловлен фиксацией кислорода на поверхности образцов в виде оксидов железа, титана и хрома в модификациях гематита, рутила и хромита железа (II) FeCr2O4 (рис. 5, б). На рентгеновских дифрактограммах поверхности покрытий в отличие от стали АК1304 наблюдаются рефлексы феррохрома, который устойчив к окислению. Высокая жаростойкость образцов с покрытиями обусловлена ограничением контакта кислорода с подложкой прежде всего за счет фазы ^^ц, которая устойчива к окислению при температурах до 1000 °С. Это объясняется формированием тонкого барьерного слоя из диоксида кремния на поверхности частиц [20].
Вывод
Предложена методика получения Fe-Ti-Si-покрытий электроискровой обработкой нержавеющей стали АК1304 анодом, состоящим из титановых гранул и 2,6.6 об.% смеси порошков титана и кристаллического кремния. Показано,
что стабильный положительный привес катода наблюдается, когда доля кремния в смеси порошков не превышает 32 %. В фазовом составе покрытий присутствовали: твердый раствор хрома в железе, силицид титана Ti5Si3, титан и кремний, что подтверждается данными энергодисперсионного анализа. Силицид титана Ti5Si3 присутствует в покрытиях в виде отдельных включений. Толщина покрытий находилась в диапазоне от 21,7 до 24,8 мкм. Проведенные исследования показали, что Fe-Ti-Si-покрытия, приготовленные новым методом электроискровой обработки не-локализованным электродом с порошками кремния и титана, позволяют повысить коррозионную устойчивость, жаростойкость и твердость, а также снизить коэффициент трения и износ поверхности нержавеющей стали AISI304.
Список литературы
1. Рыбалка К.В., Бекетаева Л.А., Давыдов А.Д. Определение скорости коррозии стали AISI 304 в растворах HCl методом измерения омического сопротивления исследуемого образца // Электрохимия. -2019. - Т. 55, № 9. - С. 1147-1152. - DOI: 10.1134/ S0424857019080139.
2. Tribocorrosion behaviour of duplex surface treated AISI 304 stainless steel / A. de Frutos, M.A. Arenas,
G.G. Fuentes, R.J. Rodriguez, R. Martinez, J.C. Avelar-Batista, J.J. de Damborenea // Surface and Coatings Technology. - 2010. - Vol. 204, N 9-10. - P. 16231630. - DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.10.039.
3. Штефан В.В., Канунникова Н.А. Оксидирование стали AISI 304 в A1-, Ti-содержащих растворах // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2020. - Т. 56, № 2. - 202-207. - DOI: 10.31857/ S0044185620020230.
4. The influence of the pre-placed powder layers on the morphology, microscopic characteristics and micro-hardness of Ti-6Al-4V/WC MMC coatings during laser cladding / C. Qi, X. Zhan, Q. Gao, L. Liu, Y. Song, Y. Li. // Optics and Laser Technology. - 2019. - Vol. 119. -P. 105572. - DOI: 10.1016/j.optlastec.2019.105572.
5. Nurminen J., Nakki J., Vuoristo P. Microstructure and properties of hard and wear resistant MMC coatings deposited by laser cladding // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. -2009. - Vol. 27. - P. 472-478. - DOI: 10.1016/j.ijrm-hm.2008.10.008.
6. In-situ Ti (C, N) reinforced AlCoCrFeNiSi-based high entropy alloy coating with functional gradient double-layer structure fabricated by laser cladding / G. Yan, M. Zheng, Z. Ye, J. Gu, C. Li, C. Wu, B. Wang // Journal of Alloys and Compounds. - 2021. - Vol. 886. -P. 161252. - DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2021.161252.
7. Liu X.B., Wang H.M. Microstructure, wear and high-temperature oxidation resistance of laser clad Ti5Si3/y/TiSi composite coatings on y-TiAl intermetal-lic alloy // Surface and Coatings Technology. - 2006. -Vol. 200, N 14-15. - P. 4462-4470. - DOI: 10.1016/j. surfcoat.2005.03.006.
8. Effect of Si content on microstructure and tribolog-ical properties of Ti5Si3/TiC reinforced NiTi laser cladding coatings / W. Su, X. Cui, Y. Yang, Y. Guan, Y. Zhao, S. Wan, J. Li, G. Jin // Surface and Coatings Technology. - 2021. - Vol. 418. - P. 127281. - DOI: 10.1016/j. surfcoat.2021.127281.
9. Aluminum diffusion inhibiting properties of Ti-5Si3 at 900 °C and its beneficial properties on Al-rich oxidation protective coatings on y-TiAl / P.-P. Bauer, R. Swadzba, L. Klamann, N. Laska // Corrosion Science. - 2022. - Vol. 201. - P. 110265.
10. Microstructure and dry sliding wear behavior of plasma transferred arc clad Ti5Si3 reinforced in-termetallic composite coatings / Y.F. Liu, Y.L. Zhou, Q. Zhang, F. Pu, R.H. Li, S.Z. Yang // Journal of Alloys and Compounds. - 2014. - Vol. 591. - P. 251-258. -DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2013.12.225.
11. Бурков А.А., Кулик М.А., Крутикова В. О. Характеристика Ti-Si-покрытий на сплаве Ti6Al4V, осажденных электроискровой обработкой в среде гранул // Цветные металлы. - 2019. - № 4. - С. 5459. - DOI: 10.17580/tsm.2019.04.07.
12. PliszkaI., RadekN. Corrosion resistance of WC-Cu coatings produced by electrospark deposition // Procedia Engineering. - 2017. - Vol. 192. - P. 707-712. -DOI: 10.1016/j.proeng.2017.06.122.
13. Палатник Л. С. Фазовые превращения при электроискровой обработке металлов и опыт установления критерия наблюдаемых взаимодействий // Доклады Академии наук СССР. - 1953. - Т. 89, № 3. -С.455-458.
14. Бурков А.А. Получение аморфных покрытий электроискровой обработкой стали 35 в смеси железных гранул с CrMoWCBSi порошком // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. -2019. - Т. 21, № 4. - С. 19-30. - DOI: 10.17212/19946309-2019-21.4-19-30.
15. Бурков А.А., Кулик М.А. Электроискровое осаждение покрытий с использованием порошка Cr3C2 и их характеристика // Письма о материалах. -2019. - Т. 9, № 2. - С. 243-248. - DOI: 10.22226/24103535-2019-2-243-248.
16. Бурков А.А., Кулик М.А. Коррозионная и три-ботехническая характеристика металломатричных Fe-Ti-Cr-B покрытий // Сварочное производство. -2021. - № 12. - С. 43-49.
17. The synthesis of bulk material through explosive compaction for making intermetallic compound Ti5Si3 and its composites / K. Hokamoto, J.S. Lee, M. Fujita, S. Itoh, K. Raghukandan // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 37, N 19. - P. 4073-4078. -DOI: 10.1023/A:1020071416063.
18. Frommeyer G., Rosenkranz R. Structures and properties of the refractory silicides Ti5Si3 and TiSi2 and Ti-Si-(Al) eutectic alloys // Metallic Materials with High Structural Efficiency. - Dordrecht: Springer, 2004. -P. 287-308. - DOI: 10.1007/1-4020-2112-7_30.
19. Электроискровое легирование титана и его сплавов металлами и композиционными материалами / А.Д. Верхотуров, И.А. Подчерняева, В.М. Па-нашенко, Л.А. Коневцов. - Комсомольск-на-Амуре: ИмиМ ДВО РАН, 2014. - 320 с.
20. Oxidation of pentatitanium trisilicide (Ti5Si3) powder at high temperature / J.-I. Matsushita, T. Satsu-kawa, N. Iwamoto, X. Wang, J. Yang, T. Goto, T. Sekino, X. Wu, S. Yin, T. Sato // Materials Science Forum. -2016. - Vol. 868. - P. 38-42. - DOI: 10.4028/www.sci-entific.net/MSF.868.38.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
© 2022 Авторы. Издательство Новосибирского государственного технического университета. Эта статья доступна по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
134
Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. 2022 vol. 24 no. 4 pp. 127-137 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-127-137
Obrabotka metallov -
Metal Working and Material Science
Journal homepage: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov
Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface
1 a * 2 b
Alexander Burkov ' ' , Valeria Krutikova '
1 Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far-Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tikhookeanskaya,
Khabarovsk, 680042, Russian Federation
2
Institute of Tectonics and Geophysics, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 65 Kim Yu Chen street, Khabarovsk, 680000, Russian Federation
" https://orcid.org/0000-0002-5636-4669. © [email protected]. b https://orcid.org/0000-0001-9977-2809. © [email protected]
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Article history: Received: 02 August 2022 Revised: 06 September 2022 Accepted: 08 September 2022 Available online: 15 December 2022
Keywords: Coating
Electrospark deposition Stainless steel AISI 304 Titanium silicide Ti5Si3 Coefficient of friction Corrosion
Oxidation resistance Wear rate Microhardness
Funding
The work was carried out within the framework of the state task of the Federal state budgetary institution of science Khabarovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences (FSBIS KhFRC FEB RAS), 153 Tikhookeanskaya, Khabarovsk, 680042, Russian Federation, subject number FWUW-2022-0006
Acknowledgements
Research were partially conducted at core facility "Structure, mechanical and physical properties of materials".
Introduction. Metal-ceramic coatings based on titanium silicide are promising for protecting stainless steel AISI 304 from wear, corrosion and high-temperature oxidation. Purpose of the work: to investigate the stainless steel AISI 304 surface layer structure after electrospark deposition in a mixture of titanium granules with silicon powder, and to study oxidation resistance, corrosion resistance and tribotechnical properties of the obtained coatings. Research methodology. Fe-Ti-Si coatings on the stainless steel AISI 304 samples were obtained by electrospark machining with a non-localized electrode consisting of titanium granules and 2.6-6 vol.% mixture of titanium and crystalline silicon powders. Results and discussion: it is shown that a stable positive gain of the cathode is observed when the proportion of silicon in the powder mixture does not exceed 32 vol.%. The phase composition of the coatings includes: a solid solution of chromium in iron, titanium silicide Ti5Si3, titanium and silicon, which is confirmed by the energy dispersion analysis data. The microhardness of Fe-Ti-Si coatings ranges from 10.05 to 12.86 GPa, which is 5-6 times higher than that of uncoated steel AISI 304. The coefficient of friction of the coatings is about 20% lower compared to steel AISI 304 and hovers around 0.71-0.73. Wear tests in dry sliding mode show that Fe-Ti-Si coatings can increase the wear resistance of steel AISI 304 up to 6 times. The oxidation resistance of the coatings at a temperature of 900 C is 7-12 times higher as compared to steel AISI 304. The conducted studies have shown that new electrospark Fe-Ti-Si coatings can increase corrosion resistance, oxidation resistance, microhardness, as well as reduce the coefficient of friction and wear rate of the stainless steel AISI 304 surface.
For citation: Burkov A.A., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2022, vol. 24, no. 4, pp. 127-137. DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4127-137. (In Russian).
* Corresponding author
Burkov Alexander A., Ph.D. (Physics and Mathematics), Senior researcher
Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center
of the Far-Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences,
153 Tikhookeanskaya,
680042, Khabarovsk, Russian Federation
Tel.: 8 (914) 1618954, e-mail: [email protected]
References
1. Rybalka K.V., Beketaeva L.A., Davydov A.D. Opredelenie skorosti korrozii stali AISI 304 v rastvorakh HCl metodom izmereniya omicheskogo soprotivleniya issleduemogo obraztsa [Determination of AISI 304 steel corrosion rate in the HCl solutions by the method of measuring specimen ohmic resistance]. Elektrokhimiya = Russian Journal of Electrochemistry, 2019, vol. 55, no. 9, pp. 1147-1152. DOI: 10.1134/S0424857019080139. (In Russian).
2. Frutos A. de, Arenas M.A., Fuentes G.G., Rodriguez R.J., Martinez R., Avelar-Batista J.C., Damborenea J.J. de. Tribocorrosion behaviour of duplex surface treated AISI 304 stainless steel. Surface and Coatings Technology, 2010, vol. 204, no. 9-10, pp. 1623-1630. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.10.039.
3. Shtefan V.V., Kanunnikova N.A. Oxidation of AISI 304 steel in Al- and Ti-containing solutions. Fizikokhimiya poverkhnosti i zashchita materialov = Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2020, vol. 56, no. 2, pp. 202-207. DOI: 10.31857/S0044185620020230. (In Russian).
4. Qi C., Zhan X., Gao Q., Liu L., Song Y., Li Y. The influence of the pre-placed powder layers on the morphology, microscopic characteristics and microhardness of Ti-6Al-4V/WC MMC coatings during laser cladding. Optics and Laser Technology, 2019, vol. 119, p. 105572. DOI: 10.1016/j.optlastec.2019.105572.
5. Nurminen J., Nakki J., Vuoristo P. Microstructure and properties of hard and wear resistant MMC coatings deposited by laser cladding. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2009, vol. 27, pp. 472478. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2008.10.008.
6. Yan G., Zheng M., Ye Z., Gu J., Li C., Wu C., Wang B. In-situ Ti (C, N) reinforced AlCoCrFeNiSi-based high entropy alloy coating with functional gradient double-layer structure fabricated by laser cladding. Journal of Alloys and Compounds, 2021, vol. 886, p. 161252. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2021.161252.
7. Liu X.B., Wang H.M. Microstructure, wear and high-temperature oxidation resistance of laser clad Ti5Si3/y/ TiSi composite coatings on y-TiAl intermetallic alloy. Surface and Coatings Technology, 2006, vol. 200, no. 14-15, pp. 4462-4470. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.03.006.
8. Su W., Cui X., Yang Y., Guan Y., Zhao Y., Wan S., Li J., Jin G. Effect of Si content on microstructure and tri-bological properties of Ti5Si3/TiC reinforced NiTi laser cladding coatings. Surface and Coatings Technology, 2021, vol. 418, p. 127281. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127281.
9. Bauer P.-P., Swadzba R., Klamann L., Laska N. Aluminum diffusion inhibiting properties of Ti5Si3 at 900 °C and its beneficial properties on Al-rich oxidation protective coatings on y-TiAl. Corrosion Science, 2022, vol. 201, p. 110265.
10. Liu Y.F., Zhou Y.L., Zhang Q., Pu F., Li R.H., Yang S.Z. Microstructure and dry sliding wear behavior of plasma transferred arc clad Ti5Si3 reinforced intermetallic composite coatings. Journal of Alloys and Compounds, 2014, vol. 591, pp. 251-258. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2013.12.225.
11. Burkov A.A., Kulik M.A., Krutikova V.O. Kharakteristika Ti-Si-pokrytii na splave Ti6Al4V, osazhdennykh elektroiskrovoi obrabotkoi v srede granul [Characteristics of Ti-Si coatings on Ti6Al4V alloy subjected to electro-spark granules deposition]. TsvetnyeMetally, 2019, no. 4, pp. 54-59. DOI: 10.17580/tsm.2019.04.07. (In Russian).
12. Pliszka I., Radek N. Corrosion resistance of WC-Cu coatings produced by electrospark deposition. Procedia Engineering, 2017, vol. 192, pp. 707-712. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.06.122.
13. Palatnik L.S. Fazovye prevrashcheniya pri elektroiskrovoi obrabotke metallov i opyt ustanovleniya kriteriya nablyudaemykh vzaimodeistvii [Phase transformations at electrospark machining of metals and experience of establishing the criterion of observed interactions]. Doklady Akademii nauk SSSR, 1953, vol. 89, no. 3, pp. 455-458. (In Russian).
14. Burkov A.A. Poluchenie amorfnykh pokrytii elektroiskrovoi obrabotkoi stali 35 v smesi zheleznykh gra nul s CrMoWCBSi poroshkom [Production amorphous coatings by electrospark treatment of steel 1035 in a mixture of iron granules with CrMoWCBSi powder]. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 4, pp. 19-30. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-19-30.
15. Burkov A.A., Kulik M.A. Elektroiskrovoe osazhdenie pokrytii s ispol'zovaniem poroshka Cr3C2 i ikh kharakteristika [Electrospark deposition of coatings using Cr3C2 powder and their characterization]. Pis'ma o materialakh = Letters on Materials, 2019, vol. 9, no. 2, pp. 243-248. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-2-243-248. (In Russian).
16. Burkov A.A., Kulik M.A. Korrozionnaya i tribotekhnicheskaya kharakteristika metallomatrichnykh Fe-Ti-Cr-B pokrytii [Corrosion and tribotechnical characteristics of metal matrix Fe-Ti-Cr-B coatings]. Svarochnoe proiz-vodstvo, 2021, no. 12, pp. 43-49. (In Russian).
17. Hokamoto K., Lee J.S., Fujita M., Itoh S., Raghukandan K. The synthesis of bulk material through explosive compaction for making intermetallic compound Ti5Si3 and its composites. Journal of Materials Science, 2002, vol. 37, no. 19, pp. 4073-4078. DOI: 10.1023/A:1020071416063.
18. Frommeyer G., Rosenkranz R. Structures and properties of the refractory silicides Ti5Si3 and TiSi2 and Ti-Si-(Al) eutectic alloys. Metallic Materials with High Structural Efficiency. Dordrecht, Springer, 2004, pp. 287-308. DOI: 10.1007/1-4020-2112-7_30.
19. Verkhoturov A.D., Podchernyaeva I.A., Panashenko V.M., Konevtsov L.A. Elektroiskrovoe legirovanie titana i ego splavov metallami i kompozitsionnymi materialami [Electrospark alloying of titanium and its alloys with metals and composites]. Komsomolsk-on-Amur, IMM FEB RAS Publ., 2014. 320 p.
20. Matsushita J.-I., Satsukawa T., Iwamoto N., Wang X., Yang J., Goto T., Sekino T., Wu X., Yin S., Sato T. Oxidation of pentatitanium trisilicide (Ti5Si3) powder at high temperature. Materials Science Forum, 2016, vol. 868, pp. 38-42. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.868.38.
Conflicts of Interest
The authors declare no conflict of interest.
© 2022 The Authors. Published by Novosibirsk State Technical University. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
