Структура и фазовый состав покрытий системы Cu Ti, сформированных на медной подложке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 4 (10), 2014

УДК 669.716:621.785

В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, Д.А. Eecmponoe, А.А. Чешева, В.П. Кулевич

Волгоградский государственный технический университет

СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Си - Ti, СФОРМИРОВАННЫХ НА МЕДНОЙ ПОДЛОЖКЕ*

В настоящее время для защиты поверхности широко применяют материалы со специальными покрытиями [1 - 3]. В работах [4 - 7] показано, что повышение износостойкости меди может быть обеспечено за счет формирования на ее поверхности интерметаллидного покрытия системы Ti - Си.

Целью настоящей работы являлось исследование фазового состава покрытий системы Ti - Си, полученных с использованием высокоэнергетического воздействия (сварки взрывом) и последующей термической обработки при режимах, обеспечивающих контактное плавление [8 - 10].

Получение покрытия на поверхности медной подложки включало сварку взрывом пластин меди Ml толщиной 4 мм и титана ВТ 1-0 толщиной 1 мм, термическую обработку при 900 -1010 °С (время выдержки обеспечивало наличие непрореагировавшего слоя титана), механическое удаление этого непрореагировавшего слоя. Внешний вид микрошлифов до и после отделения слоя титана представлен на рис. 1. Термическую обработку образцов проводили в воздушной атмосфере печи SNOL8,2/1100 в обмазке из жидкого стекла и талька.

Металлографические исследования выполнены с применением оптической микроскопии (микроскоп Olympus ВХ61). Распределение химических элементов по толщине покрытия получено на сканирующем электронном микроскопе Versa 3D Dual Beam. Микротвердость структурных составляющих измеряли на микротвердомере ПМТ-ЗМ. Обработку экспериментальных данных проводили с помощью специализированных пакетов прикладных программ.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил установить, что рост зоны переплава происходит как в сторону меди, так и в сторону титана. Разрушение образцов после термической обработки происходит по ин-терметаллидной прослойке с фазовым составом Ti3Cu4.

*Работа выполнена при финансовой поддержке и гранта РНФ, соглашение № 14-19-00418.

Полученные покрытия характеризуются высокой (4-6 ГПа) твердостью и отсутствием пористости. Основными структурными составляющими сформировавшейся на поверхности меди зоны переплава являются структурно свободные интерметаллиды (3-TiCu4 (22,15 % Ti, 77,85 % Си (ат.)) и TiCu2 (30,84 % Ti, 69,16 % Си (ат.)), на поверхности присутствует интерметаллид Ti3Cu4 (41,78 % Ti, 58,22 % Си (ат.)). Повышение температуры нагрева приводит к росту скорости контактного плавления и образованию более мелких дендритов в структуре покрытия (рис. 2).

Анализ карты распределения атомов титана по толщине покрытия (рис. 3, а) и точечный энергодисперсионный анализ (рис. 3, б, расшифровка в таблице) показали, что у границы с медью располагаются дендриты на основе твердого раствора титана в меди Cu(Ti). Ближе к поверхности образуются дендриты на основе интерметаллидов СтьТг Междендритное пространство заполнено интерметаллидом (3-Cu4Ti.

Выводы. Основными структурными составляющими покрытия системы Ti - Си, полученного на медной подложке с использованием высокоэнергетического воздействия (сварки взрывом) и последующей термической обработки при режимах, обеспечивающих после контактного плавления наличие непрореагировавшего слоя титана, являются структурно свободные интерметаллиды f)-TiCu4 и TiCu2, дисперсность которых при прочих равных условиях уменьшается с ростом температуры обработки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Р а д ю к А.Г., Т итлянов А.Е., Глухов Л.М. Исследование диффузионного слоя, полученного при термообработке газотермических покрытий на медной основе // Материаловедение. 2007. № 7. С. 22 - 26.

2. Радюк А.Г., Т и т л я н о в А.Е., Кузнецов В.Е., У краинцев А.Е. Исследование способов повышения жаростойкости меди и свойств медно-алюминиевого диффузионного слоя // Цветные металлы. 2009. №6. С. 112, 113.

- 8

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 4 (10), 2014

Рис. 1. Внешний вид микропшифов до (а) и после (б) отделения слоя титана

$ НЮ

1 ■ . Л/ WPC' --'ПАЛТЧ

I : ' N

3 60

rt

I 40 1 20 У

5 л

О и

I

170

________4_______!_

540 510 680

Расстояние, мкм

850

Си

1020

Рис. 2. Микроструктуры (а-в) и кривые распределения химических элементов по толщине покрытия, сформированного на медной подложке (г - е) после термической обработки при 900 °С в течение 30 мин (а, г), при 970 °С в течение 5 мин (б, д) и при 1010 °С в течение 4 мин (в, е)

-9-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 4 (10), 2014

Рис. 3. Карта распределения атомов титана по толщине покрытия (а) и расположение точек при определении элементного состава (б) (образец после термической обработки при температуре 1010 °С в течение 5 мин)

Результаты точечного рентгеновского энергодисперсионного микроанализа образца после термической обработки при 1010 °С в течение 5 мин

Точка

1

2

3

4

5

6

Элемент

Содержание, %

Погрешность,

по массе ат. %

Ti 35,10 41,78 2,42

Си 64,90 58,22 3,77

Ti 24,89 30,53 2,60

Си 75,11 69,47 3,70

Ti 17,45 21,91 2,84

Си 82,55 78,09 3,56

Ti 24,74 30,37 2,59

Си 75,26 69,63 3,63

Ti 7,75 10,03 3,64

Си 92,25 89,97 3,47

Ti 17,20 21,60 2,83

Си 82,80 78,40 3,55

Фаза

Cu4Ti3

Cu2Ti

P-Cu4Ti

Cu2Ti

Cu(Ti)

P-Cu4Ti

3. Пат. РФ 2128714. Способ нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертера / Айзатулов Р.С., Протопопов Е.В., Соколов В.В., Буймов В.А., Чернятевич А.Г., Щеглов М.А., Амелин А.В., Пресняков А.П., Ермолаев А.И., Ганзер Л.А., Чернышева Н.А., Пак Ю.А. Заявл. 05.12.2006. Опубл. 27.12.2008.

4. RezaBateni М., Szpunar J.A., Ashrafizadeh F., Zandrahimi M. The effect of novel Ti - Cu intermetallic compound coatings on tribological properties of copper. - National Tribology conference. 24 - 26 September 2003. The annals of university «Dunarea de jos» of galati fascicle VIIE Tribology. - 2003. P. 55 - 62.

5. Морозова E.A., Муратов В.С. Лазерное легирование поверхности титана медью // Успехи современного естествознания. 2009. № 11. С. 71.

6. S а 1 е h i М., Н о s s е i n i R. Structural characterization of novel Ti - Cu intermetallic coatings // Surface Engineering. 1996. Vol. 12. №3. P.221-224.

7. Radek Norbert, Shalapko Jurji, Kowalsk Maciej. Investigations of the Cu - Mo and Cu - Ti electro-spark coatings after laser treatment // Вестник двигателестроения. 2009. № 1. С. 143 - 149.

8. Ахкубеков А.А., О р к в а с о в Т.А., С о з а е в В.А. Контактное плавление металлов и наноструктур на их основе. - М.: Физматлит, 2008. - 149 с.

9. 3 а л к и н В.М. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления. - М.: Металлургия, 1987. - 157 с.

10. Ахкубеков А.А., Байсултанов М.М., Ахкубекова С.Н. Начальная стадия контактного плавления как низкоразмерный эффект // Изв. вуз. СевероКавказский регион. Естественные науки. Приложение. 2005. С. 56 - 64.

© 2014 г. В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, Д.А. Еестропое, А.А. Чешева, В.П. Кулевич Поступила 2 сентября 2014 г.

- 10 -