CC BY
14ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ ГЛИНОЗЕМА И
ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВОГО МНОГОКАМЕРНОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ
Арсеенко Мария Юрьевна, Ковалева Марина Геннадьевна, Прозорова Майя Сергеевна, Новиков Всеслав Юрьевич, Япрынцев Максим Николаевич Аспирант, «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (НИУ «БелГУ»), 308015, Россия,
г. Белгород, ул. Победы, 85
Аннотация
В данной работе газотермические покрытия на основе механической смеси глинозема с титаном (50:50) были получены на поверхности корро-зионностойкой стали 12Х18Н10Т с использованнием нового многокамерного газодинамического ускорителя (MCDS). Полученные покрытия были исследованы методами сканирующей электронной микроскопии, рентге-ноструктурного анализа, микротвердометрии и трибометрии. Полученные покрытия плотные, состоят из ламельной структуры и не полностью расплавленных частиц порошка, не содержат дефектов на границе с подложкой, пористость составила 0,06%. Микротвердость полученных покрытий составила 362±175 HV0,5, фактор износа образца с покрытием составил 35.82 x10-4 мм3/м-Н, что превышает аналогичные параметры материала подложки.
Annotation
In the current study thermal spray coatings based on a mechanical mixture of alumina and titanium powders (50:50) were obrained by a new multi-chamber gas-dynamic accelerator (MCDS) on the surface of a russian analogue of X10CrNiTi18-10 stainless steel. The coatings were examined by SEM, X-Ray, microhardness and tribological methods. The obtained coatings are dense, consist of lamellar structure and partly melted powder particles, do not have defects on the border with the substrate, porosity is 0,06%. Microhardness of the coatings is 362±175 HV0,5, specific wear rate is 35.82 x10-4 mm3/m-N, that exceeds analogous parameters of the substrate.
Ключевые слова: газотермические покрытия, покрытия на основе оксида алюминия, покрытия на основе титана, многокамерный газодинамический ускоритель, микроструктура, микротвердость, износостойкость
Keywords: thermal Spray coatings, Alumina coatings, Titanium coatings, Multi-chamber gas-dynamic accelerator, microstructure, microhardness, wear resistance
Введение
Известно, что покрытия на основе оксида алюминия обладают высокими механическими свойствами, такими как твердость, изностостойкость и стойкость к абразивному износу. Благодаря этим особенностям они широко используются для защиты стальных изделий, увеличивая, например, стойкость к абразивному износу инструментальных сталей до 2,5 раз [1]. Было установлено [2], что добавление оксида титана повышает прочностные характеристики покрытия, не снижая твердости. Благодаря тому, что точка плавления оксида титана ниже, чем у оксида алюминия, частицы порошка легче расплавляются и связывают собой оксид алюминия. В зависимости от применения, различные процентные содержания оксида титана в исходной порошковой смеси были использованы для осаждения покрытий такими методами как APS, PVD, CVD, HVOF, D-gun и другие [3-5]. Предварительные исследования [6] показали, что с использованием нового многокамерного газодинамического ускорителя (MCDS) можно получить покрытия из порошка Al2O3 AMPERIT 740.0 высокого качества. Однако, с целью снизить стоимость конечных изделий и использовать более доступные для российского рынка порошки, покрытия на основе глинозёма [7, 8] и смеси глинозема с коммерчески доступным порошком ПТС-2 (ОАО «Полема») [9] были получены. Результаты данных исследований показали, что добавление 13% титанового порошка приводит к увеличению микротвердости до 657±70 HV0,2 [9] в сравнении с покрытием из глинозема 476±50.05 [8]. Целью данного исследования было дальнейшее определение влияния состава исходной порошковой смеси на структуру и физико-механические свойства покрытий путём осаждения порошковой смеси глинозема с титаном в соотношении 50:50.
Материалы и методика эксперимента
В данном исследовании новый многокамерный газодинамический ускоритель (MCDS) был использован для нанесения газотермических покрытий на основе механической смеси глинозема с титаном [10-11]. Параметры напыления представлены в таблице 1. Покрытия наносили послойно при возвратно-поступательном перемещении сопла устройства с поперечным смещением каждого перемещения на 9 мм и с трехкратным формированием слоя. Скорость перемещения сопла относительно поверхности образца составляла 2000 мм/мин, расстояние от сопла до образца 65 мм. Нанесение покрытия осуществлялось импульсами газопорошковой струи, следующими с частотой 20 Гц. Диаметр выходного сопла 16 мм. Длина ствола 500 мм. В качестве подложки использовали стальные пластины размером 30х30х5 мм, изготовленные из стали 12Х18Н10Т. Поверхность образцов была предварительно опескоструена с использованием порошка оксида алюминия марки 25А F360.
В качестве сырьевых материалов использовали порошок глинозема и титана ПТС-2 (ОАО "Полема") [9]. Порошковая смесь была приготовлена механическим перемешиванием в шаровой мельнице.
Микроструктура и элементный состав покрытий были исследованы с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) Quanta 200 3D. Пористость полученной серии покрытий была определена металлографическим методом с использованием оптического микроскопа Olympus GX51 с программным обеспечением для количественного анализа изображения. Пористость оценивали по 10 снимкам с предварительно подготовленного шлифа поперечного сечения образца. Фазовый состав был определен с помощью рентгеновского дифрактометра Rigaku Ultima IV.
Таблица 1.
Режимы нанесения газотермических покрытий на основе механиче-
ской смеси глинозема с титаном
Камера Расход газов, м3/ч Расход порошка, кг/ч
О2 0.99
1 воздух 1.48
пропан (30%) + бутан (70%) 0.22 0.8
О2 1.26
2 воздух 0.6
пропан (30%) + бутан (70%) 0.28
Микротвердость была определена с использованием автоматического микротвердомера DM-8B (Affri). В поперечном сечении образца делали 10 отпечатков при нагрузке 200 г и времени выдержки 15 с. Износостойкость образов определяли с помощью трибометра изготовленного CSM Instruments (Switzerland) по стандартной схеме «шарик-диск».
Результаты и их обсуждение
Микроструктура в поперечном сечении газотермических покрытий на основе механической смеси глинозема с титаном (50:50) и элементный состав приведены на рисунке 1.
Было определено, что толщина полученных покрытий лежит в пределах 150-250 мкм; пористость полученных покрытий составила 0,06%; покрытие не содержит видимых дефектов на границе "покрытие/подложка". Структура покрытий плотная, содержит области полностью расплавленного материла и типичную для газотермических методов ламельную структуру. Кроме того, в покрытии содержатся частично расплавленные и не расплавленные крупные частицы исходного порошка. Данные частицы в процессе напыления были частично оплавлены и поэтому плотно соединены с основным материалом покрытия.
(а)
.ement Wt % At %
О К 13. 51 39. 22
А1К 13 . 81 16. 46
Р К 0 . 07 0. 08
СаК 0 . 23 0. 18
TiK 60 . 82 40. 83
СгК 1. 01 0. 63
FeK 4 . 22 2. 43
NiK 0 . 32 0. 18
Total 100 . 00 100. 00
(б)
Рисунок 5. Микроструктура (а) и элементный состав (б) полученных газотермических покрытий на основе механической смеси глинозема с
титаном (SEM)
Фазовый состав покрытий приведен на рисунке 3. Покрытие содержит фазы Ti, TiO и eta - (АЪОз)1.ззз и Cr0.222Ti0.778O1.889. Присутствие большого количества титановой фазы подтверждает, что большая часть частиц титана не была расплавлена полностью. Их только частичное оплавление объясняется большим размером (средний размер 51,88 мкм) в сравнении с порошком глинозёма (средний размер 32,5). Появление фазы Cr0222Ti0778O1 889 может быть объяснено, как небольшим количеством хрома в исходном составе титанового порошка [9], так и перемешиванием материала покрытия с материалом подложки.
50 60
2 - thêta (deg)
Рисунок 3. Фазовый состав полученных газотермических покрытий на основе механической смеси глинозема с титаном
Микротвердость полученных покрытий составила 362±175 HV0,5, что примерно в 2 раза превышает микротвердость стали - 187±11 HV0,5. Такой большой разброс значений в покрытии связан с различным фазовым составом и смешанной неравномерной структурой.
Фактор износа образца при испытаниях на трибометрию с покрытием составил 35.82 x10-4 мм3/м-Н, в то время как фактор износа образца исходной стали составил 48.54 x10-4 мм3/м-Н.
Заключение
В данной работе газотермические покрытия на основе механической смеси глинозема с титаном (50:50) были получены. Толщина полученных покрытий лежит в пределах 150-250 мкм, пористость составила 0,06%, покрытие не содержит видимых дефектов на границе "покрытие/подложка". Структура покрытий плотная, содержит области полностью расплавленного материла и типичную для газотермических методов ламельную структуру. Покрытие содержит фазы Ti, TiO и eta - (Al2O3)1333 и Cr0.222Ti0.778O1.889. Микротвердость полученных покрытий составила 362±175 HV0,5, что примерно в 2 раза превышает микротвердость стальной подложки 12Х18Н10Т - 187± 11 HV0,5. Фактор износа образца с покрытием составил 35.82 x10-4 мм3/м-Н, в то время как фактор износа образца без покрытия составил 48.54 x10-4 мм3/м-Н.
Доступность материалов и их низкая стоимость в совокупности с увеличением физико-механических свойств поверхности коррозионностойкой стали, делает данную технологию возможной для применения на производстве с целью защиты поверхности конструкционных изделий различного назначения.
Работа выполнена в рамках программы «Умник» по договору №6712ГУ/2015 от 14.07.2015
Список литературы
1. J.H. Ouyang, S. Sasaki, K. Umeda, Surf. Coat. Technol. 137, 21 (2001). 2. M. Harju, E. Levänen, T. Mäntylä, Appl. Surf. Sci. 252, 8514 (2006).
3. J. Ilavsky, C.C. Berndt, H. Herman, P. Chraska, J. Dubsky, J. Therm. Spray Technol. 6(4), 439 (1997).
4. S. Kumar, J.S. Ratol, Mater. Eng. 20, 119 (2013).
5. V. Ulianitsky, V. Shtertser, I. Smurov, J. Therm. Spray Technol. 20(4), 791 (2011).
6. M. Kovaleva et al., Surf. Coat. Technol. 232, 719 (2013).
7. M. S. Prozorova, M. G. Kovaleva, M. Yu. Arseenko, M. N. Yapryntsev, Surf. Rev. and Lett., 23(1), 1550088 (2016).
8. M.G. Kovaleva, M.S. Prozorova, M.Yu. Arseenko, M.N. Yapryntsev, O.N. Vagina, Intern. Journ. of Appl. Chem. 12(4), 593 (2016).
9. M.G. Kovaleva, M.S. Prozorova, M.Yu. Arseenko, M.N. Yapryntsev, K.N. Mamunin, V.V. Sirota, A.Y. Altukhov, E.V. Ageev, Jour. of Nano- and Electr. Phys, 8(3), 03018 (2016).
10. N. Vasilik, Yu. Tyurin, O. Kolisnichenko, RU Patent 2.506.341 (2012). 11. M. Kovaleva, Y. Tyurin, N. Vasilik, O. Kolisnichenko, M. Prozorova, M.
Arseenko, E. Danshina, Surf. Coat. Technol. 232, 719 (2013).
