CC BY
40PHYSICAL SCIENCES
HIGH ENTROPY COATINGS CuTiZrCrNi
Yurov V.M.
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor Karaganda State University named after E.A. Buketova, Karaganda, Kazakhstan
Platonova E.S.
PhD student, Senior Lecturer, Department of Nanotechnology and Metallurgy Karaganda State Technical University, Karaganda, Kazakhstan
Baltabekov A.
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor Karaganda State University named after E.A. Buketova, Karaganda, Kazakhstan
ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ CuTiZrCrNi
Юров В. М.
Кандидат физико-математических наук, доцент Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова
Караганда, Казахстан Платонова Е.С.
Докторант PhD, старший преподаватель кафедры «Нанотехнологий и металлургии»
Карагандинский государственный технический университет
Караганда, Казахстан Балтабеков А.
Кандидат физико-математических наук, доцен Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова
Караганда, Казахстан
Abstract
A highly entropic alloy and a CuTiZrCrNi coating are synthesized by mechanical alloying. The microhard-ness of the coating CuTiZrCrNi is not inferior and in most cases exceeds the hardness of highly entropic equiatomic alloys. The wear resistance of the CuTiZrCrNi coating is 3^10-4 g/min, which also corresponds to special steels in terms of wear resistance. High entropy coating has a low coefficient of friction. They turn out to be anti-friction, which in all evidence leads to energy savings.
Аннотация
В работе синтезирован высокоэнтропийный сплав и покрытие CuTiZrCrNi методом механического легирования. Микротвердость покрытия CuTiZrCrNi не уступает и в большинстве случаев превосходят твердость высокоэнтропийных эквиатомных сплавов. Износостойкость покрытия CuTiZrCrNi составляет 3 10-4 г/мин, что также отвечает специальным сталям по износостойкости. Высокоэнтропийное покрытие обладает низким коэффициентом трения. Оно оказываются антифрикционными, что со всей очевидностью приводят к экономии энергоресурсов.
Keywords: high-entropy alloy, plasma coating, surface layer, microhardness, friction, wear resistance.
Ключевые слова: высокоэнтропийный сплав, плазменное покрытие, поверхностный слой, микротвердость, трение, износостойкость.
Введение. По мнению авторов [1] - отличительной особенностью высокоэнтропийных сплавов (ВЭСов) от традиционных является то, что эти сплавы имеют высокую энтропию смешения, которая влияет на образование структур на основе твердых растворов. Между тем в отношение роли этого параметра имеется противоречивая информация [2]. Мы не будем рассматривать все факторы, определяющие формирование той или иной кристаллической структуры. Более полный обзор можно найти в работах [1-6] .
Исходя из анализа литературных данных, в настоящее время не существует универсального параметра и/или их сочетания, которые могли бы точно предсказывать образование той или иной
структуры в многокомпонентных системах сплавов.
В настоящей работе исследуются физико-механические свойства синтезированного нами высокоэнтропийного покрытия CuTiZrCrNi.
Методика синтеза сплава и покрытий CuTiZrCrNi. Для приготовления мишени CuTiZrCrNi брались микропорошки соответствующих металлов и смешивались в эквиатомных пропорциях. Затем приготовленная смесь порошков помещалась в мелющий стакан планетарной шаровой мельницы изготовленный из карбида вольфрама и добавлялись мелющие тела (шары диаметром 5-10 мм) также изготовленные из карбида вольфрама, масса которых была равна 10-ти массам
смеси порошков. После стакан наполняли бензином «Галоша», плотно закрывали крышку и включали планетарную шаровую мельницу (скорость вращения составляла 500 об/мин., время работы 5 ч.).
Полученный гомогенизированный состав затем сушился в вакууме и при помощи прессформы пресовался в плоский диск диаметром 100 мм и толщиной в 5 мм. Далее диск помещался в вакуумную термо печь и спекался в ней в течении 3-х часов. Таким образом, изготовленная мишень CuTiZrCrNi использовалась для дальнейшего магнетронного нанесения покрытий на установке ННВ 6.
Нанесение покрытий производилось на подготовленные подложки из стали марки AISI-201 (шестигранники с длиной стороны 22 мм и толщиной 5 мм.). Вакуумная камера откачивалась до давления 0,003 Па затем включался ПИНК производился напуск Ar до давления 1 Па на подложку подавался отрицательный потенциал смещения 1000 В и в течении 10 мин. производилась очистка и нагрев поверхности подложки. После давление аргона понижали до 0,1 Па и включался магнетрон. Смещение на подложке уменьшалось до 150 В ток магнетрона поддерживался постоянным 3 А. Подложка располагалась в камере на расстоянии 15 см, время напыления составляло 1 час.
Методика эксперимента. Электронно-микроскопическое исследование было проведено на растровом электронном микроскопе MIRA 3 фирмы TESCAN. Исследования проводились при ускоряющем напряжении 20 кВ и рабочем расстоянии около 15 мм. Для каждого образца было сделано по 4 снимка с 4 точек поверхности при разных увеличениях: 245 крат, 1060 крат, 4500 крат и 14600 крат. А также проведен энергодисперсионный анализ в 4 точках поверхности каждого образца. Исследование микротвердости покрытий проводилось на
микротвердомере ИУ8-1000Л. В современной экспериментальной трибологии широко используются методологии кинетического контактного взаимодействия штырем или шариком с плоскостью. В частности, методические особенности и требования испытаний на износостойкость типа «штырь на диске» и «шар на плоскости изложены в международных стандартах. Однако данная методология не является эффективной для исследования износостойкости покрытий и подложки и определения толщины тонких покрытий. Для решения этих задач примененяют эффективный метод испытаний на микроабразивный износ путем воздействия вращающегося стального шарика на плоский образец с добавлением эмульсии, содержащей абразивные частицы (рисунок 1).
Рисунок 1 Разработанный нами прибор для испытаний материалов и покрытий на микроабразивный износ
В месте контакта образуется кратер сферической формы - калотта, поэтому прибор для обеспечения такого вида испытаний получил название ка-лотестер. Трибологические исследования проводились на установке, описанной в работе [7].
Структура покрытий СиТ12гСг№. Результаты эксперимента приведены на рисунках 2 и 3
Рисунок 2 РЭМ изображения покрытия CrNiTiZrCu в аргоне а) 500 цш б) 50 цш
Многослойная карта ЭДС1
1 25цт '
Рисунок 3 Распределение элементов в среде аргона
Рисунки 2- 3 показывают равномерное распределение элементов в средах аргона, что означает хорошее получение высокоэнтропийных покрытий. Рисунки 4 показывают химический состав
CuTiZrCrNi, ат. % в эквиатомных пропорциях (таблица 1). Исключение составляет Cu, но он попадает в диапазон > 5 ат. %.
Рисунок 4 РФЭС CuTiZrCrNi в аргоне в 2-х точках
Рисунок 5 Микроструктура компонент сплава СиТ12гСг№ при разрешении 20 цш
Таблица 1
Количественный химический состав CuTiZrCrNi, ат. %_
Элемент Cu Ti Zr Ni Cr
Номинальный 20 20 20 20 20
в аргоне 6,8 19,9 17,1 21,2 23,2
в азоте 7,0 19,7 16,9 20,8 22,8
Микротвердость покрытий. Результаты измерений микротвердости покрытий СиТйгСг№ даны в таблице 2.
Таблица 2
Микротвердость 1 2 3 4 5 6 7 8 Среднее
HV аргон 839 909 864 842 967 753 821 902 886
HV азот 897 899 899 863 879 887 966 962 888
Микротвердость покрытия СиТйгСг№ в среде аргона и азота практически не изменились. Это означает, что азот не вступает в состав покрытия. Сравним данные таблицы 2 с данными высокоэнтропийным
сплавов (таблица 3).
Таблица 3
_Микротвердость высокоэнтропийных сплавов [2]_
Сплавы Твердость исходных литых Твердость сплавов после от-
сплавов, ИУ жига, ИУ
СиПУРеМгг 590 600
лтуБемгг 800 790
МоТ1УРе№2г 740 760
СиТ1УРе№2гСо 630 620
МТУБеМггСо 790 800
МоТ1У?е№2гСо 790 790
СиТ1УРе№2гСоСг 680 680
МТУБеМггСоСг 780
МоТ1УРе№2гСоСг 850 890
316 Нержавеющая сталь 189 155
17-4 РН Нержавеющая сталь 410 362
Хастеллой С (на основе №-Мо-Бе) 236 280
Стеллит 6 (на основе Со-Сг 413 494
Микротвердость нашего покрытия СгМШгСи 888 888
Микротвердость нашего покрытия CuTiZrCrNi не уступает высокоэнтропийных эквиатомных сплавам.
Износостойкость покрытий. Результаты исследований износостойкости покрытий CuTiZrCrNi показаны в таблице 4.
Таблица 4
Износостойкость покрытий CuTiZrCrNi
Износ образца (масса в граммах) по 30 мин
До 15,14852 15,14857 15,14859 15,14856 Среднее 15,148566
После 15,14745 15,14763 15,14759 15,14759 Разность 0,000986
Таблица 4 показывает износостойкость покрытия CuTiZrCrNi ~ 3 • 10-4 г/мин.
Трибологические особенности покрытий CuTiZrCrNi. Напыление CuTiZrCrNi производилось на неподвижный образец в течении часа с опорным напряжением 150 и 250 вольт в режиме постоянной мощ-
ности 1.5 кВт. Образец №25 в среде азота и образец №39 в среде аргона.
Таблица 5
_Коэффициенты трения по меди и алюминию_
Покрытие по меди по алюминию
коэффициент трения погрешность коэффициент трения погрешность
CuTiZrCrNi аргон 0,041 0,006 0,066 0,002
CuTiZrCrNi азот 0,057 0,001 0,077 0,004
Высокоэнтропийные покрытия CuTiZrCrNi оказываются антифрикционными, что приводят к экономии энергоресурсов.
Заключение. В заключении можно сделать следующие выводы:
- для приготовления мишени CuTiZrCrNi брались микропорошки соответствующих металлов и смешивались в эквиатомных пропорциях в планетарной шаровой мельнице. Этот метод для получения ВЭСов намного экономичнее, чем метод металлургического литья;
- электронно-микроскопическое исследование CuTiZrCrNi показало, что сплавы и покрытия получаются однородными и практичными;
- микротвердость покрытия CuTiZrCrNi не уступает и в большинстве случаев превосходят твердость высокоэнтропийных эквиатомных сплавов;
- износостойкость покрытия CuTiZrCrNi составляет 3 10-4 г/мин, что также отвечает специальным сталям по износостойкости;
- высокоэнтропийное покрытие обладает низким коэффициентом трения. Оно оказываются антифрикционными, что со всей очевидностью приводят к экономии энергоресурсов.
Работа выполнена по программе Министерства образования и науки Республики Казахстан. Гранты №0118РК000063 и №Ф.0781.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Yeh J.W., Chen Y.L., Lin S.J. High-entropy alloys - a new era of exploitation // Materials Science Forum. 2007, Vol. 560. - P. 1-9.
2. Шайсултанов Д.Г. Структура и механические свойства высокоэнтропийных сплавов системы CoCrFeNiX (X=Mn, V, Mn, V, Al и Cu). -Дисс. канд. тех. наук, 2015, Белгород. - 142 с.
3. Zhang Y., Zhou Y.J., Lin J.P. Solid-Solution Phase Formation Rules for Multi-component Alloys // Advanced Engineering Materials. 2008, Vol. 10. №6. -P. 534-538.
4. Fang S., Xiao X.S., Xia L., Li W.H., Dong Y.D. Relationship between the widths of supercooled liquid region and bond parameters of Mg-based bulk metallic glasses // J. Non-cryst. Solid. 2003, Vol. 321. - P. 120128.
5. Takeuchi A., Inoue A. Quantitative evaluation on critical cooling rate for metallic glasses // Mater. Sci. Eng. A. 2001, - P. 304-306.
6. Горбань В.Ф., Крапивка Н.А., Фирстов С.А. . Высокоэнтропийные сплавы - электронная концентрация - фазовый состав - параметр решетки -свойства // ФММ, 2017, Vol. 118. №10. - С. 10171029.
7. Юров В.М., Гученко С.А., Ибраев Н.Х. Определение коэффициента трения скольжения. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2010, №8. - С. 148-152.
