Структура износостойких покрытий системы TiC–Mo, полученных электровзрывным напылением Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.785:669.1.08.29

СТРУКТУРА ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ TiC-Mo, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫМ НАПЫЛЕНИЕМ

© Д.А. Романов, О.В. Олесюк, Е.А. Будовских, Е.С. Ващук, В.Е. Громов

Ключевые слова: электровзрывное напыление; износостойкие покрытия; карбид титана; шероховатость; микроструктура.

Методами оптической интерферометрии и сканирующей электронной микроскопии изучены рельеф поверхности, особенности структуры электровзрывных покрытий. Установлено, что параметр шероховатости поверхности после обработки Ra = 3,0 мкм. Фазовый состав сформированных слоев образуют Мо и Т1С. Покрытия имеют когезионно-адгезионную связь с материалом контактной поверхности.

Композиционные покрытия системы Т1С-М0 обладают высокой износостойкостью, микротвердостью [1]. Формирование таких покрытий в настоящее время реализовано методом плазменного напыления в воздушной среде [1] или в вакууме [2]. Такие покрытия используются в машиностроении для защиты деталей, испытывающих повышенные нагрузки при работе в агрессивных средах и высоких температурах, например, в поршневых системах автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Однако структура таких покрытий имеет ряд недостатков, таких как пористость, которая ухудшает их теплопроводность, и низкая адгезия. Одним из перспективных направлений развития методов электровзрывной обработки поверхности металлов и сплавов является разработка способов электровзрывного напыления (ЭВН) для повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы поверхностей. ЭВН - это метод нанесения упрочняющих покрытий из продуктов электрического взрыва фольги и порошковых навесок на поверхность материалов. Метод позволяет формировать покрытия с высокой адгезией и различной структурой [3]. ЭВН без оплавления поверхности основы позволяет получать единичные слои из того или иного вещества либо при многократном нанесении единичных слоев разных материалов -композиционные покрытия со слоистой структурой. ЭВН с оплавлением поверхности и перемешиванием наносимых материалов с материалом основы позволяет получать композиционные покрытия с наполненной структурой, когда в матрице одного металла расположены включения других фаз. Цель настоящей работы заключалась в создании композиционных покрытий системы TiC-Mo с наполненной структурой методом ЭВН, изучении топографии их поверхности и структуры.

МЕТОДИКА

ЭВН покрытий проводили на модернизированной электровзрывной установке ЭВУ 60/10М, которая описана в работе [4]. Она включает емкостный накопитель энергии и импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиально-торцевой системы электродов с размещенным на них проводником, разрядной каме-

ры, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумную технологическую камеру с остаточным давлением 100 Па. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник тока большой плотности при разряде накопителя [5].

Обработке подвергали образцы стали 45 в отожженном состоянии с размерами 20x30x2 мм. Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плотность мощности [5]. ЭВН проводили с использованием композиционного электрически взрываемого материала (КЭВМ) для нанесения покрытия, представляющего собой двуслойную молибденовую фольгу с заключенными в ней навеской карбида титана. Параметры ЭВН образцов стали 45: поглощаемая плотность мощности 4,5 ГВт/м2 (зарядное напряжение 2,0 кВ); диаметр молибденового сопла 20 мм; расстояние образца от среза сопла 20 мм; масса фольги и порошковой навески КЭВМ-284 и 142 (режим 1), 284 и 213 (режим 2), 284 и 284 мг (режим 3).

Исследования топографии поверхности проводили с использованием оптического интерферометра Zygo NewViewTM 7300. Сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) осуществляли с использованием растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EV050. Массу фольг и навесок порошка определяли с помощью аналитических весов Shimadzu AUX 120.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Методом РЭМ установлено, что после ЭВН покрытий на поверхности образуются многочисленные деформированные закристаллизовавшиеся микрокапли диаметрами от 1 до 50 мкм, осевшие на ней из тыла струи и распределенные неравномерно. Микрокапли образованы молибденом и частицами порошка карбида титана (области округлой формы размером 0,1-5 мкм). Частицы карбида титана попадают в расплав молибдена в процессе формирования струи при электрическом взрыве КЭВМ. Микротрещины на поверхности покры-

1831

тия (рис. 1а, 1б) образуются вследствие высокоскоростной кристаллизации покрытия.

Оптическая интерферометрия показала, что среднее арифметическое отклонение профиля Яа = 3,0 мкм. Полученные значения параметров шероховатости обусловлены тем, что покрытия были получены при электровзрывной обработки, для которой характерно осаждение на поверхность преимущественно жидких частиц продуктов взрыва из тыла струи с последующей самозакалкой [5].

Согласно данным РЭМ поперечных сечений покрытий, их толщина составляет 55-70 мкм (рис. 1). На границе покрытия с основой вследствие термосилового воздействия плазменной струи на поверхность, нагреваемую до температуры плавления, формируется рельеф, который позволяет увеличивать адгезию.

Рис. 1. Характерное изображение структуры покрытия системы Т1С-Мо. Прямой шлиф

Более детальное изучение структуры покрытий методом РЭМ показало, что во всех режимах происходит формирование композиционных дисперсноупрочнен-ных покрытий, когда в матрице расположены включения. Размер включений составляет 0,1-8,0 мкм, что соответствует размерам частиц порошка карбида титана, используемого для ЭВН. Соотношение матрицы и упрочняющих включений составляет 2:1, 1,5:1, 1:1 для режимов 1, 2, 3. Покрытия характеризуются отсутствием пористости.

ед.

0 2 4 Е. кэВ

а) б)

Рис. 2. Рентгеноспектральный микроанализ покрытия системы Т1С-Мо, напыленного в режиме 3: а) - области набора рентгеновского спектра; б) - рентгеновские спектры

Рентгеноспектральный микроанализ различных участков (рис. 2) показал, что область набора рентгеновского спектра 1, выбранная на включении размером 8 мкм, образована титаном; спектра 2, выбранная на участке покрытия без включений, - молибденом; спектров 3-5, выбранных на участках покрытия, образованными матрицей и включениями, - молибденом и титаном в различном соотношении.

Содержание титана и молибдена для спектров 3-5 составляет 44 и 56, 52 и 48, 46 и 54 ат. %. На основании этих данных можно утверждать, что покрытие обладает композиционной наполненной структурой, представляющей собой молибденовую матрицу с расположенными в ней упрочняющими включениями карбида титана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые электровзрывным способом получены покрытия из молибдена и карбида титана, параметр шероховатости Ra которых изменяется в пределах 3,0 мкм. Морфология поверхности покрытий представлена композиционными микрокапли TiC-Mo диаметрами от 1 до 50 мкм. Толщина покрытий составляет 55-70 мкм. На границе покрытия с основой формируется рельеф. Покрытие обладает композиционной наполненной структурой, представляющей собой молибденовую матрицу с расположенными в ней упрочняющими включениями карбида титана, причем соотношение матрицы и упрочняющих включений составляет 2:1, 1,5:1, 1:1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Fukushima T. High temperature properties of TiC/Mo coatings by thermal spraying // J. of High Temperature Society. 2002. V. 28. № 4. Р. 171-175.

2. Xiaoqian G., Yaran N., Liping H., Heng J., Xuebin Z. Microstructure and tribological property of TiC-Mo coating prepared by vacuum plazma spraying // J. of Termal Spray Technology. 2012. V. 21 (5). Р. 1083-1089.

3. Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е. Электровзрывное напыление электроэрозионностойких покрытий: формирование структуры, фазового состава и свойств электроэрозионностойких покрытий методом электровзрывного напыления. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. 170 с.

4. Жмакин Ю.Д., Романов Д.А., Будовских Е.А. и др. Автоматизированная электровзрывная установка для повышения эксплуатационных характеристик материалов // Промышленная энергетика. 2011. № 6. С. 22-25.

5. Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов. Новокузнецк: СибГИУ, 2007. 301 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Romanov D.A., Olesyuk O.V., Budovskikh E.A., Vashchuk E.S., Gromov V.E. STRUCTURE OF WEAR RESISTANT COATINGS TiC-Mo RECEIVED BY ELECTROEXPLOSIVE SPRAYING

By optical interferometry, and scanning electron microscopy study topography the structural features electro-explosive coatings are studied. It found that the surface roughness parameters after treatment is Ra = 3.0 ^m. The phase composition of the formed layers create Mo and TiC. Coatings have a cohesively-adhesive bond with the material contact surfaces.

Key words: electro-explosive spraying; wear-resistant coatings; titanium carbide; roughness; microstructure.

1832