ЗАЩИТНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ ПОРОШКА AL 2O 3, ПОЛУЧЕННЫЕ КУМУЛЯТИВНО-ДЕТОНАЦИОННЫМ УСТРОЙСТВОМ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НАНОСИСТЕМЫ: СИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

NANOSYSTEMS: SYNTHESIS, PROPERTIES, AND APPLICATION

Статья поступила в редакцию 21.11.12. Ред. рег. № 1441 The article has entered in publishing office 21.11.12. Ed. reg. No. 1441

УДК 621.039.546.53

ЗАЩИТНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ ИЗ ПОРОШКА AL2O3, ПОЛУЧЕННЫЕ КУМУЛЯТИВНО-ДЕТОНАЦИОННЫМ УСТРОЙСТВОМ

11 12 М.С. Прозорова , M.r. Ковалева , MM. Арсеенко , Ю.Н. Тюрин ,

О.В. Колисниченко2, В.В. Иванисенко1

белгородский государственный национальный исследовательский университет Центр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов»

308015 Белгород, ул. Победы, д. 85 Тел./факс: (4722) 58-54-15, e-mail: Kovaleva@bsu.edu.ru 2Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ 03650 Украина, Киев, ул. Боженко, д. 11 Тел.: +380 (44) 287-67-79, e-mail: y.n.tyurin@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 29.11.12 Заключение совета экспертов: 05.12.12 Принято к публикации: 07.12.12

Покрытия из порошка оксида алюминия наносили на подложку из стали 3 с использованием кумулятивно-детонационной технологии. Исследование структуры и элементного состава порошка оксида алюминия и покрытия проводили с помощью растровой, просвечивающей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Показано, что технология обеспечивает низкую пористость покрытий и высокое качество границы между покрытием и подложкой, обусловленное взаимопроникновением материалов. Было установлено, что покрытия увеличивают твердость и износостойкость подложки из стали 3.

Ключевые слова: кумулятивно-детонационное устройство, защитное керамическое покрытие из порошка оксида алюминия, сталь 3, экономия, качество покрытия.

PROTECTIVE CERAMIC COATINGS OF AL2O3 POWDER OBTAINED BY CUMULATIVE-DETONATION DEVICE

M.S. Prozorova1, M.G. Kovaleva1, M.Yu. Arseenko1, Yu.N. Tyurin2, O.V. Kolisnichenko2, V.V. Ivanisenko1

'Belgorod State University, Joint Research Centre "Diagnostics of structure and properties of nanomaterials" 85 Pobedy str., Belgorod, 308015, Russia Tel./fax: (4722) 58-54-15, e-mail: Kovaleva@bsu.edu.ru 2Paton Electric Welding Institute NANU 11 Bozhenko str., Kiеv, 03650, Ukraine Tel.: +380 (44) 287-67-79, e-mail: y.n.tyurin@mail.ru

Referred: 29.11.12 Expertise: 05.12.12 Accepted: 07.12.12

Composite coatings of Al2Оз powder were deposited on steel 3 samples by using the cumulative-detonation equipment. The structure and elemental composition of Al2O3 powder and coatings were examined by scanning and transmission electron microscopy, and X-ray phase analysis. It is shown that the technology provides a low porosity coatings and high quality boundary between the coating and the substrate caused of the interpenetration of the materials. It was found that the coating increases the hardness and wear resistance of substrate of steel 3.

Keywords: cumulative-detonation device, ceramic coating of aluminium oxide powder, steel 3, saving, coating quality.

Майя Сергеевна Прозорова

Марина Геннадьевна Ковалева

4\

Сведения об авторе: научный сотрудник Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов»..

Образование: НИУ «БелГУ» (2002).

Круг научных интересов: разработка новых конструкционных материалов и покрытий, нано- и микроструктуры, плазменные, лучевые и электронные технологии, поверхность и тонкие пленки, металлы, сплавы, неупорядоченные структуры.

Публикации: 10.

Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериа-лов».

Образование: НИУ «БелГУ» (2002).

Круг научных интересов: разработка новых конструкционных материалов и покрытий, нано- и микроструктуры, плазменные, лучевые и электронные технологии, поверхность и тонкие пленки, металлы, сплавы, неупорядоченные структуры.

Публикации: 30.

Сведения об авторе: студентка инженерно-физического факультета НИУ «БелГУ». Образование: НИУ «БелГУ».

Круг научных интересов: разработка новых конструкционных материалов и покрытий, нано- и микроструктуры, плазменные, лучевые и электронные технологии, поверхность и тонкие пленки, металлы, сплавы, неупорядоченные структуры. Публикации: 7.

Мария Юрьевна Арсеенко

£

А *

Юрий Николаевич Тюрин

Олег Викторович Колисниченко

Сведения об авторе: д-р техн. наук, старший научный сотрудник Института электросварки им. Е.О. Патона НАНУ.

Образование: Донецкий политехнический институт (1970).

Круг научных интересов: электролитно-плазменные, микродуговые, плазменно-детона-ционные и детонационные технологии для химико-термической и термоциклической обработки поверхностей деталей машин и инструмента в машиностроении и металлургической промышленности; легирование и наноструктурирование сплавов на основе железа и титана с использованием плазменно-детонационных технологий; кумулятивно-детонационная технология; кристаллизация сплавов на основе железа при резонансе частот воздействия возбуждающей силы с собственными колебаниями.

Публикации: более 350.

Сведения об авторе: канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института электросварки им. Е.О. Патона НАНУ.

Образование: МГТУ им. Н.Э. Баумана (1996).

Круг научных интересов: электролитно-плазменные, микродуговые, плазменно-детонаци-онные и детонационные технологии для химико-термической и термоциклической обработки поверхностей деталей машин и инструмента в машиностроении и металлургической промышленности; легирование и наноструктурирование сплавов на основе железа и титана с использованием плазменно-детонационных технологий; кумулятивно-детонационная технология; кристаллизация сплавов на основе железа при резонансе частот воздействия возбуждающей силы с собственными колебаниями.

Публикации: более 40.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

М.С. Прозорова, М.Г. Ковалева, М.Ю. Арсеенко и др. Защитные керамические покрытия из порошка Al2O3

Виктор Викторович Иванисенко

Сведения об авторе: инженер Центра конструкционной керамики и инженерного прототи-пирования ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ».

Образование: Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина (2008). Круг научных интересов: разработка новых конструкционных материалов и покрытий, на-но- и микроструктуры. Публикации: 3.

Введение

Керамические покрытия из порошка А1203 используют, как правило, для защиты деталей, работающих в тяжелых условиях. Они показывают высокую стойкость в агрессивных и окислительных средах, а также обеспечивают защиту деталей при работе в условиях высоких температур. Кроме того, порошки на основе оксида алюминия имеют невысокую стоимость, что определяет экономическую эффективность их применения.

Одной из новых технологий, обеспечивающих возможность нанесения высококачественной керамики, является детонационное напыление. Детонационная технология основана на использовании импульсных плазменных струй, ускоряемых электромагнитным полем до скорости 5000-8000 м/с [1]. Это дает возможность получения высококачественных покрытий из керамики и металлокерамики на металлических подложках [2].

Учитывая высокие физико-механические свойства керамических покрытий на основе А1203, целью настоящей работы являлось создание и исследование высококачественных защитных покрытий из порошка А1203 с использованием кумулятивно-детонационного устройства.

Материалы и методика эксперимента

Для напыления оксидных покрытий было использовано двухкамерное кумулятивно-детонационное устройство. Инициирование сгорания горючей смеси (пропан, кислород, воздух) проводили с частотой 20 Гц, тем самым обеспечивая квазинепрерывный режим работы устройства с постоянной подачей порошка в зону нагрева и ускорения [3]. В качестве подложки использовали образцы - лист из стали 3 (далее Ст3) толщиной 5 мм. Условия формирования покрытия приведены в табл. 1.

Таблица 1

Режимы нанесения покрытий из порошка AMPERIT® 740.0 A12O3

Table 1

Regime of spraying of coatings of AMPERIT® 740.0 A12O3 powder

Камера сгорания Расход газов, м3/ч

О2 воздух С3Н8 Производительность, г/час Ддина ствола, мм

Цилиндрическая 4,16 0,25 0,8 720 400

Кольцевая 3,55 0 0,54

Качественные керамические покрытия были получены из порошка Al2O3 (AMPERIT® 740.0 фирмы Praxair Technolgies Inc) дисперсностью 5-22 мкм (рис. 1). Анализ показал, что порошок состоит из частиц окиси алюминия a-Al2O3 с тригональной решеткой - 27%, y-Al2O3 с кубической решеткой -61%, 7% - на остальные фазы оксида алюминия, и 5% приходится на следы окиси кремния, железа и другие примеси.

Исследование микроструктуры, элементного состава порошка и покрытия Al2O3 проводили с помощью растровых электронно-ионных микроскопов Quanta 200 3D и Quanta 600 (РЭМ), оснащенных детектором рентгеновского излучения системы PEGASUS 2000.

Пористость покрытий определяли металлографическим методом с элементами качественного и количественного анализа геометрии пор с применением оптического инвертированного микроскопа OLYMPUS GX51.

Рентгеноструктурные исследования порошка и покрытий проводили на дифрактометре ARL X'TRA фирмы Thermo Scientific.

Рис. 1. Морфология и элементный состав (энергодисперсионный спектр) порошка Al203. РЭМ - Quanta 600 FEG,

ускоряющее напряжение 10 кВ Fig. 1. Morphology and elemental composition (energy dispersive spectrum) of Al203 powder. SEM - Quanta 600 FEG,

an accelerating voltage of 10 kV

Испытания твердости по поперечному микрошлифу покрытий проводили с помощью автоматической системы анализа микротвердости DM-8 по методу микро-Виккерса при нагрузке на индентор 25 и 300 г.

Исследование трибологических характеристик покрытий проводили по стандартной схеме испытания «шарик-диск» на автоматизированной машине трения (Tribometer, CSM Instruments, Швейцария) с применением фактографического анализа бороздки износа покрытий и пятна износа на контртеле (шарик из сапфира диаметром 3 мм). Испытания износостойкости проведены на воздухе при нагрузке 6 Н, линейной скорости 15 см/с, радиусом кривизны износа 5 мм, пути трения 1200 метров. Строение бороздки износа покрытий и пятна износа на шариках изучали после испытаний с использованием оптического инвертированного микроскопа Olympus GX 51 и растрового ионно-электронного микроскопа Quanta 200 3D. Измерение глубины бороздок проводили в 4 диаметрально и ортогонально противоположных областях образцов с помощью автоматизированного прецизионного контактного профилометра Surtronic 25 и определяли среднее значение площади поперечного сечения и глубины бороздки износа. Количественную оценку износостойкости образцов и контртела проводили по фактору износа W [4], методика расчета которого приведена в работе [5].

Результаты и их обсуждение

Порошок Al2O3 имеет низкую теплопроводность и не успевает нагреться до плавления в газовой струе. Электронно-микроскопические исследования поперечного шлифа системы покрытие-подложка показало, что покрытие из порошка Al2O3 представляет собой чередование характерно упакованных, деформи-

рованных, дискретных частиц окисла. Покрытие формируются путем последовательной укладки множества деформированных частичек, имеющих разную температуру, скорость и массу (рис. 2).

Следует отметить, что покрытия, полученные кумулятивно-детонационным устройством из порошка оксида алюминия, плотные, с хорошим прилеганием к подложке и низкой пористостью ~ 3-4% (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура поперечного шлифа образца с покрытием из порошка Д120з (РЭМ) Fig. 2. Microstructure of the transverse sections of the sample with a coating of Al203 powder (SEM)

Поскольку покрытие имеет резко выраженную границу с подложкой, первым определением качества покрытия является отсутствие дефектов на грани-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

М.С. Прозорова, M.Г. Ковалева, М.Ю. Арсеенко и др. Защитные керамические покрытия из порошка Л!20з ...

це покрытие/подложка. В результате проведенных исследований установлено, что видимая граница прилегания покрытия А1203 к подложке не имеет дефектов, т.е. участков с ослабленными связями, которые, по сути, являются микротрещинами, находящимися в одной плоскости и способными к распространению при наложении внешних нагрузок.

Корунд (а-А1203) по сравнению с у-А1203 имеет более высокую микротвердость, плотность и теплопроводность, а также более высокую коррозионную стойкость [6]. Поэтому формирование покрытий с

максимально возможным содержанием а-А1203 является более выгодным в технологическом плане.

Проведенный рентгенофазовый анализ показывает, что основными составляющими покрытия выступают алюминий и кислород, а их концентрация в разных точках изменяется незначительно. В основном покрытие состоит из а-А1203 с гексогональной решеткой и составляет до 63%, у-А1203 с кубической решеткой до 25%, незначительного включения кри-стаболитов 8Ю2 ~ 5% и аморфной фазы (рис. 3).

Рис. 3. Участок дифрактограммы, полученный для покрытия Al203 Fig. 3. Results of X-ray analysis of Al203 coating

Анализ особенностей строения границы раздела покрытие/подложка для системы А1203/Ст3 показал, что система имеет три визуально отличные зоны (рис. 2). В переходной зоне концентрация атомов алюминия достигает порядка 50 ат.%, а кислорода около 24 ат.%. Наличие железа - 20% в переходной области можно объяснить его диффузией и массопе-реносом из подложки.

Таблица 2

Элементный состав покрытия из порошка А1203

Table 2

The elemental composition of the coating of A1203 powder

Продвигаясь выше от границы покрытие/подложка, особых отличий в элементном составе покрытия не обнаружили (табл. 2). Алюминий стабильно

присутствует во всем покрытии, что и следовало ожидать, исходя из химического состава наносимого порошка. То же самое можно сказать и о кислороде. На некоторых локальных участках зафиксировано наличие металлических включений (результат включения в порошок оксида металлических порошков).

Таким образом, результаты микроанализа переходного слоя и отдельных участков покрытий подтверждают перемешивание материала покрытия -А1203 с материалом подложки - Ст3, что свидетельствует о достаточно прочном соединении полученной системы покрытие/подложка.

В результате исследования микротвердости покрытия по его сечению от поверхности покрытия к подложке, со стандартной нагрузкой 300 г, установлено, что твердость керамического покрытия плавно снижается от поверхности к подложке от 1250 до 900 ИУ0,3. Такое снижение обусловлено механизмом послойного формирования покрытия и прогревом нижележащих слоев. В этих условиях происходит образование более мягких и пластичных форм оксида алюминия.

Несущая способность поверхности в условиях жесткого контактного нагружения определяется сочетанием свойств покрытия и подложки. Известно [2], что увеличение твердости покрытия улучшает эксплуатационные свойства рабочей поверхности

Область анализа Содержание элементов, масс.%

Al O Fe С Si

Приповерхностный слой 54,02 45,98 - - -

Центральная часть 76,13 22,48 - 0,96 0,43

Переходная зона 49,99 24,21 20,33 3,98 1,16

металлических изделий. При нанесении твердого покрытия на мягкую подложку (например сталь) в условиях трения в подложке под покрытием протекают деформационные процессы, приводящие к отслаиванию покрытия и его разрушению. Однако увеличение твердости переходного слоя покрытие-подложка уменьшает зону распространения пластической деформации и препятствует процессам разрушения изделий.

Микротвердость подложки от переходного слоя покрытие-подложка изменяется на глубину до 200 мкм от 550 HV0,025 до средней твердости стали 3-346 HV0025. Увеличение микротвердости стали на границе покрытие/подложка объясняется наличием наклепа вблизи границы с покрытием, образовавшегося в результате ударного воздействия в процессе абразивной струйной обработки и нанесения покрытия.

Известно, что износостойкость чистого корунда (a-Al2O3) в 8 раз выше износостойкости конструкционной стали [4]. Поэтому увеличение содержания a-фазы в покрытии приводит к повышению износостойкости подложки. Как видно из данных, приведенных в табл. 3, нанесение керамического покрытия из порошка оксида алюминия на поверхность стали 3 приводит к увеличению ее стойкости к износу при трении.

Таблица 3

Трибологические характеристики исследуемых экспериментальных образцов

Tab1e 3

Tribological characteristics of the investigated of experimental samples

Образец Коэффициент трения ц Фактор износа х10-5, мм3-Н"1-м"1

начальный при испытании контртела образца

Сталь 3 0,204 0,674 0,269 35,36

Сталь^Л 0,038 0,959 1,61 19,39

Исследование топологии поверхности трения покрытий показало, что начальный коэффициент трения стали с покрытием составил 0,038, что может быть связано с высокой шероховатостью образца. Проведенный анализ бороздок износа поверхности образцов стали показывает, что она интенсивно изнашивается, и при этом зафиксирован перенос материала на контртело. В результате проведенного анализа бороздок износа поверхности керамических покрытий из порошка оксида алюминия установлено, что поверхности трения представляют собой продольные контактные участки, ориентированные по направлению скольжения и не испытывают значительных повреждений и изменений.

Заключение

Использование кумулятивно-детонационной технологии для напыления покрытий из порошка Al2O3 позволяет получать плотные керамические покрытия, которые имеют плавный градиент физико-механических свойств от поверхности к подложке, твердость покрытия понижается от 1250 до 900 HV03.

Наличие переходного слоя покрытие/подложка, состоящего из продуктов диссоциации оксида и элементов подложки, приводит к увеличению микротвердости слоя подложки, прилегающего к покрытию. Твердость повышается до 550 HV0 025 по сравнению с твердостью основы из стали 3, равной 340 HV0,025.

Покрытие также обладает высокой износостойкостью за счет содержания в покрытии a-Al2O3.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП НИУ «БелГУ» «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 12-08-31060 мол_а.

Список литературы

1. Tyurin Y.N., Pogrebnjak A.D. Advances in the development of detonation technologies and equipment for coating deposition // Surface and Coаtings Technology. 1999. Vol. 111. P. 269-275.

2. Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н., Иванов Ю.Ф., Кобзев А.П., Кульментьева О.П., Ильяшенко М.И. Получение и исследование структуры и свойств плазменно-детонационных покрытий из Al2O3 // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, Вып. 21. С. 53-60.

3. Тюрин Ю.Н., Поляков С.Г., Колисниченко О.В., Ныркова Л.И., Иванов О.Н., Ковалева М.Г. и др. Свойства покрытий из порошка титана // Физи-кохимия поверхности и защита материалов. 2011. Т. 47, № 5. С. 1-6.

4. Ибатуллин И. Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: монография. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008.

5. Вершинин Д.С., Смолякова М.Ю., Манохин С.С., Дручинина О.А., Ахмадеев Ю.Х. Исследование трибологических свойств азотированного титанового сплава ВТ16 с использованием автоматизированной машины трения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76, № 12. С. 45-49.

6. Погребняк А.Д., Ильяшенко М.В., Братушка С.Н., Понарядов В.В., Ердыбаева Н.К. Формирование высокодисперсного состояния в плазменно-детонационном покрытии из оксида алюминия // Физическая инженерия поверхности. 2006. Т. 4, № 1-2. С. 32-47.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012