автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Исследование и разработка порошковых катодных материалов Al-Cr, Al-Cr-Si для ионно-плазменного синтеза износостойких покрытий

На правах рукописи

Г

Коржова Виктория Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОРОШКОВЫХ КАТОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ А1-Сг, АЬСг^ ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО СИНТЕЗА ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

Томск-2014

005553522

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Прибытков Геннадий Андреевич Официальные оппоненты:

Степанов Игорь Борисович - доктор технических наук, Физико-технический институт Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», заместитель директора по научной работе

Табаченко Анатолий Никитович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Сибирский физико-технический институт Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», ведущий научный сотрудник лаборатории металлографии

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится « 04 » июля 2014 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.038.02 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 2/4, e-mail: dvi@ispms.tsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН и на сайте: http://www.ispms.ru

Автореферат разослан « » JJ-CUL— 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современный уровень развитая машиностроения характеризуется применением новых инструментальных материалов и технологий, позволяющих существенно повысить работоспособность режущего инструмента. Из большого многообразия методов повышения работоспособности режущих инструментов следует выделить методы нанесения износостойких покрытий. Нитридные покрытия А1-Сг и А1-Сг-81 позволяют повысить стойкость к окислению до 1000°С и обеспечивают повышение ресурса работы инструмента.

Покрытия сложного элементного состава наносят из многокомпонентной плазмы, для получения которой можно использовать одновременное испарение нескольких катодов различного элементного состава (метод совмещенных пучков). Недостатки этого метода - конструктивно более сложное оборудование и пространственная неоднородность элементного состава плазмы, генерируемой из разных источников. Использование многокомпонентных катодов позволяет существенно упростить конструкцию оборудования для нанесения покрытий, повысить надежность его работы и однородность генерируемой плазмы. Поэтому в настоящее время задача разработки способов изготовления многокомпонентных порошковых катодов является актуальной.

Степень разработанности темы. В настоящее время используют многокомпонентные катоды трех типов: сплавные, мозаичные и композиционные. Основным методом получения порошковых композиционных катодов является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - компактирование. Этим методом сотрудники Московского института стали и сплавов (Е.А.Левашов, Д.В.Штанский и др.) получают мишени для магнетронного распыления сложных составов. Работы по получению катодов методом СВС-компактирования ведутся также в Самарском государственном техническом университете. Недостатком СВС - метода является то, что он может быть реализован в ограниченном диапазоне концентраций компонентов мишеней, поскольку инициирование реакции горения возможно только при составах порошковых смесей, имеющих достаточную термичность. Кроме этого, существенным недостатком катодных материалов, получаемых методом СВС - компактирования, является высокий уровень внутренних напряжений, которые иногда приводят к самопроизвольному разрушению мишеней. Этого недостатка лишены катодные материалы, полученные методом традиционной порошковой металлургии - «холодное формование + спекание». Этот метод был использован в диссертационной работе И.А.Фирсиной для получения катодных материалов системы А1-Т1. Другой способ получения малопористого катодного материала в работе И.А.Фирсиной заключался в горячем уплотнении хо-лоднопрессованных заготовок из смесей порошков алюминия и титана.

Цель работы: исследование структуры и свойств композитов, полученных твердофазным спеканием СВС - порошков и горячим уплотнением холоднопрессован-ных смесей из порошков алюминия, хрома, кремния, и разработка способов получения многокомпонентных порошковых катодов для ионно-плазменного нанесения покрытий.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: 1. Исследовать объемные изменения при вариации температуры и времени твердофазного спекания СВС - порошков системы АЬСгфД!).

2. Исследовать изменения массы, объема, структуры и фазового состава порошковых прессовок из смесей алюминия, хрома и кремния при нагреве на воздухе.

3. На основе результатов исследований отработать технологические режимы получения плотных катодных материалов из смесей элементарных порошков методом горячего уплотнения холоднопрессованных заготовок.

4. Исследовать структурные превращения в поверхностном слое порошковых композиционных катодов под действием вакуумной дуги и ионной бомбардировки.

5. Провести исследования и испытания покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением экспериментальных катодов.

Научная новизна

1. Впервые исследованы объемные изменения и формирование структуры при твердофазном спекании СВС - порошков системы АЬСгф, "Л) и показана возможность получения плотных спеченных материалов с содержанием хрома до 30 ат.%.

2. Исследована структура и физико-механические свойства горячеуплотненных порошковых композитов А1-Сг(80 и установлена ведущая роль алюминиевой матрицы в обеспечении необходимой прочности и пластичности полученных катодных материалов.

3. Исследованы структурные превращения при вакуумно-дуговом нагреве на рабочей поверхности катодов АЬСгф), изготовленных горячим уплотнением порошковых смесей из элементарных порошков. Установлено образование сплошного оплавленного слоя толщиной до 80 мкм на поверхности катодов при токах дуги более 90А.

Практическая значимость работы.

1. Отработаны режимы спекания СВС - порошков АЬСгф.Т!), обеспечивающие получение катодных материалов с пористостью менее 10 %, что является достаточным для их использования в ионно-плазменных технологиях нанесения покрытий.

2. Разработан способ получения порошковых катодных материалов на основе алюминия методом горячего уплотнения холоднопрессованных заготовок из элементарных порошков. Подана заявка на патентование способа. Экспериментальные катоды, изготовленные по этому способу, прошли испытания на вакуумно-дуговом оборудовании предприятия «СКИФ-М» (г. Белгород). По результатам испытаний получен заказ на изготовление катодов А1-Сг и А1-Сг-81 в объеме годовой потребности предприятия для их использования при нанесении покрытий на металлорежущий инструмент (диссертация, приложение № 1).

3. Проведены испытания покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением в различных газовых средах экспериментальных катодов А1-Сг и А1-Сг-81 в условиях воздействия абразивных частиц, окислительной и химически агрессивной среды. По результатам испытаний рекомендовано использование разработанных катодов для нанесения износостойких покрытий на детали авиационных двигателей (диссертация, приложение № 2).

Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются методы оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерение твердости и микротвердости, механические испытания образцов.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования материалов, полученных спеканием СВС - порошков системы Al-Cr(Si,Ti), и разработанные на основе этих результатов режимы спекания, которые позволяют получить катодные материалы с плотностью, достаточной для их практического применения.

2. Способ и технологические режимы изготовления горячеуплотненных катодных заготовок из смесей порошков алюминия, хрома и кремния.

3. Результаты исследования эффектов модификации поверхностного слоя горячеуплотненных катодов Al-Cr-Si под действием вакуумной дуги и ионной бомбардировки, которые позволяют дать рекомендации по оптимизации процесса нанесения покрытий.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечивается использованием комплекса современных методов структурных исследований, непротиворечивостью полученных данных и их согласием с результатами других исследователей.

Результаты работы были представлены и обсуждены на следующих конференциях: 8-ой Международной конференции "Инженерия поверхности и реновация изделий" (Ялта, 2008), 9th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows (Tomsk, 2008), Международных конференциях по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009, 2011), V Международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии их получения» (Новочеркасск, 2011), 31x1 International Соп-gress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, 2012), 8-м Международном симпозиуме «Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы, сварка» (Минск, 2013), Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Томск, 2013).

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 18 публикациях: 9 статьях в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, остальные - в трудах конференций различного уровня.

Вклад автора. Проработка литературы по теме диссертации и участие в обсуждении планов экспериментальных исследований. Изготовление и подготовка опытных образцов для экспериментальных исследований. Проведение металлографических исследований, механических испытаний, измерение твердости и микротвердости объектов. Участие в исследованиях и обработка результатов рентгеноструктур-иого и микрорентгеноспектрального анализов. Участие в обсуждении полученных результатов исследований, оформление и подготовка их к публикации.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 2 «Установление закономерностей физико-химических и физико-механических процессов, происходящих на границах раздела в гетерогенных структурах», пункту 4 «Разработка физико-химических и физико-механических процессов формирования но-

вых материалов, обладающих уникальными функциональными физико-механическими, эксплуатационными и технологическими свойствами, оптимальной себестоимостью и экологической чистотой» и пункту 10 «Разработка покрытий различного назначения (упрочняющих, износостойких и других) и методов управления их качеством» паспорта специальности 05.16.09 Материаловедение (машиностроение).

Структура и объем диссертации. Текст диссертации .состоит из введения, 5 разделов, результатов и выводов, списка литературы из 185 наименований и 3 приложений. Всего 196 страниц машинописного текста, включая 86 рисунков и 37 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность, представлена структура диссертации.

В первом разделе приведен обзор литературных данных о физико-механических свойствах износостойких покрытий. Обоснована перспективность Al-Cr-N и Al-Cr-Si-N покрытий по сравнению с покрытиями TiN, CrN, AIN, TiAlN. Описаны основные методы нанесения износостойких покрытий. Рассмотрены особенности нанесения многокомпонентных нитридных покрытий. Показана перспективность порошковых технологий для изготовления композиционных катодов. Рассмотрены методы порошковой металлургии: холодное формование и спекание, технологии на основе СВС и совмещающие горячую деформационную обработку порошковых материалов.

Во втором разделе сформулирована постановка задачи, описаны используемые материалы и объекты исследований, способы их получения. Описаны методы и методики экспериментальных исследований порошковых композиций, а также используемые приборы и оборудование. В работе применяли исходные порошки: алюминия ПА^ (<100 мкм), хрома ПХ1М (< 50мкм), кремния технической чистоты (<50 мкм), титана ТПП-8 (фракция < 125 мкм). Интерметаллидные порошки получали методом СВС (в режиме теплового взрыва) в вакуумной печи СНВЭ 1.3.1/16-ИЭ прессовок из смесей порошков алюминия, хрома, титана и кремния с последующим дроблением спеков и ситовым рассевом. Полученные интерметаллидные порошки различного элементного состава использовали в качестве компонентов порошковых смесей для холодного формования и спекания.

Отработку технологических режимов изготовления катодных заготовок методом холодного прессования с последующим горячим уплотнением проводили на образцах из порошковых смесей алюминия, хрома и кремния. Исследовали влияние вариации давления прессования при холодном прессовании и горячем уплотнении, а также величины деформации во время горячего уплотнения. Также исследовали влияние температуры и длительности нагрева заготовок перед горячим уплотнением.

Третий раздел посвящен исследованию структурных превращений и объемных изменений при твердофазном спекании порошковых смесей на основе СВС - порошков. Материал катодов, используемых в вакуумно-дуговой и магнетронной технологии нанесения покрытий, по условиям работы должен удовлетворять определенным требованиям, основными из которых являются вакуумная плотность, водонепроницаемость и высокая теплопроводность. Применительно к порошковым катодам эти требования могут быть выполнены только при минимальной остаточной пористости материала.

Дня магнетронных и вакуумно-дуговых катодов интересен интервал с содержанием алюминия 60-70 ат.%. Получать плотные материалы такого состава спеканием чистых элементов невозможно из-за значительного объемного роста заготовок при жидкофаз-ном спекании, согласно работам А.П.Савицкого, Г.Н.Романова, П.П.Тарасова. Поэтому мы исследовали твердофазное спекание порошковых смесей на основе двойных ин-терметаллидов. Спекание смесей «двойной интерметаллид — металл» с элементным составом А17оСг3о(ат.%) сопровождалось объемным ростом или незначительной усадкой, поэтому основные исследования были проведены на порошках, полученных синтезом в двойных и тройных порошковых смесях целевого элементного состава (А17оСг30; А^Сг^Б^о; А162СгпТ127; А170Сг20Т1ш). При спекании СВС-порошков состава А170Сгз0 с увеличением температуры спекания вплоть до расплавления пористость композитов снижается (рис.1).

Подобные зависимости плотности от температуры спекания и дисперсности характерны для спекания систем со слабовзаимодействующими компонентами, в которых капиллярные силы играют основную роль в уплотнении. Изменения фазового состава СВС- порошков А170Сг30 при спекании не происходит (рис.2.а), основным является интерметаллид А18Сг5 с небольшим содержанием фазы А1|зСг2.

4.0

<гг> 3,6

о

3,2

I-

© Z 2,8

о

с 2.4

2,0

20

1000

1050 1100 1150 1200 Тспекания, °С Рис. 1. Зависимость плотности образцов от температуры спекания для СВС - порошков АЬоСгзо с разной дисперсностью: 1-фракция < 50 мкм; 2-фракция < 125 мкм. Время изотермической выдержки - 2 часа

o-AlsCrs • -АЬСп

Lo о 7

ЩЦ. fj J V

20. град

а) б) в)

Рис. 2. Состав А17оСгзо: а) рентгенограммы СВС-порошков (1) и спеченных из них образцов(2); оптическое (б) и РЭМ (в) изображения поверхности травленых шлифов спеченного образца

Микроструктуру спеченных материалов А17оСг30 исследовали на травленных металлографических шлифах с применением оптической и растровой электронной микроскопии (рис.2.б, в). Локальный элементный состав показал, что содержание алюминия в основной фазе составляет 67,4 ± 1,4 ат.%, что немного превышает его содержание в фазе А18Сг5(61,5 ат.%).

В трехкомпонентных системах А1-Сг-8{ (ТО зависимости плотности от температуры спекания и дисперсности порошка (рис.3.а) аналогичны зависимостям, наблю-

а) б)

Рис.3. Состав Al65Cr25Siio: а) зависимость плотности образцов от температуры спекания для СВС -порошков с разной дисперсностью: 1 - фракциж 50 мкм; 2 - фракция < 125 мкм. Время изотермической выдержки -2 час; б) рентгенограммы СВС - порошков (1) и спеченных из них образцов(2).

При спекании СВС-порошков в трехкомпонентных системах происходят небольшие изменения фазового состава и содержания фаз по сравнению с исходными порошками (таблица 1, рис.3.б). Это изменения являются следствием движения системы от сильнонеравновесного состояния, формирующегося при СВ-синтезе, в сторону равновесия. Для трехкомпонентных систем достоверность оценки относительного содержания фаз по сумме интенсивностей отражений невысока из-за сложности надежной идентификации фаз в трехкомпонентных системах. Дополнительную неточность вносит наложение пиков различных фаз. Поэтому в некоторых случаях определен только интервал относительного содержания фаз.

Таблица 1. Содержание идентифицированных фаз в СВС - порошках и спеченных материалах. (Оценено по сумме интенсивностей с учетом линий неидентифицированных фаз)

Состав, ат.% Образец Содержание фаз -%

Al65Cr25 Siio СВС-порошок А1|3Сг2-43%, А18Сг5-16%, А18оСг20-12%, CrSi2-13%

Спеченный AlI3Cr2-46%, А18Сг5-35%, CrSi2-15%

AI62CrnTi27 СВС-порошок А18Сг5-1 1%, Ti9Al23-(7-57%), Al2Ti4C2-(4-54%)

Спеченный Al8Cr5-12%, Ti9Al23-(4-43%), Al2Ti4C2-(4-45%), Al3Ti-12%

Al70Cr2oTiio СВС-порошок Al8Cr5-39%, Ti9Al23-53%

Спеченный Al8Cr5-(45-68%), Ti9Al23-(l 5-39%)

На основе исследований разработан способ изготовления катодных заготовок А1-Сг и АиСг^СП), основанный на твердофазном спекании порошковых лигатур целевого состава, полученных предварительным реакционным спеканием смесей элементарных порошков, размолом спеков и отсевом мелкой фракции. Этот способ позволяет получать катодные материалы с пористостью менее 10%, что достаточно для их практического применения. Для достижения необходимой плотности требуются давления холодного прессования порошковых заготовок не менее 500 МПа и

длительность изотермической выдержки при спекании не менее 4 часов при температурах, близких к температурам начала оплавления порошковых прессовок.

Недостаток катодных материалов, спеченных из СВС - порошков, - их высокая 1 твердость и хрупкость, которые затрудняют механическую обработку. Поэтому требуется поиск других технологических вариантов получения катодных материалов на основе системы А1-Сг.

1 Четвертый раздел посвящен исследованию и разработке метода получения ка-

тодных заготовок, основанного на горячем уплотнении предварительно нагретых прессовок из смесей элементарных порошков. Так как этот технологический вариант предполагает нагрев порошковых прессовок на воздухе, то предварительно были проведены исследования изменения массы (привеса) и объемных изменений прессовок при выдержках на воздухе при температурах 500-570°С. После выдержки более 7-10 часов при 500°С в двухкомпонентных прессовках А1-Сг происходит значитель-

: Рис.4. Кинетические кривые окисления при 500°С образцов АЬоСгзо с различной исходной

пористостью: а) удельный прирост массы образцов; б) объемные изменения.

Причиной этого ускорения является образование в объеме прессовок двойных интерметаллидов, которое сопровождается объемным ростом, разрыхлением структуры и увеличением доли открытой пористости с притоком кислорода внутрь прессовок. Образование интерметаллидов подтверждено рентгеноструктурным анализом (рис.5.). При увеличении температуры до 550°С образование интерметаллидов наблюдается после одночасовой выдержки на воздухе.

| |

I !.......................,....................................'........т...............................................,.....................,

20 40 60 во

2 в,град

Рис.5 Рентгенограмма центральной части образца АЬоСгзо после 500 °С, 15 часов

В трехкомпонентных прессовках А1-С'г-8г такого ускорения привеса и объемного роста не наблюдается, так как интерметаллиды в этом случае не образуются (по результатам рентгеноструктурного анализа), предположительно, из-за блокирующего действия кремния на границах смежных частиц алюминия и хрома.

По результатам термографических исследований было выбрано время и температура нагрева, при этом исходный фазовый состав порошковой смеси сохраняется (рис.6.в) и горячеуплотненный материал имеет структуру матричного композита с включениями частиц хрома и кремния в алюминиевой матрице (рис.6.а, б).

77« -а 20 40 80 120

ге.град

а) б) в)

Рис.6. Типичная микроструктура после горячего (550°С) уплотнения давлением 0,5 ГПа: а) смесь АЬцСгзо; б) смесь АЦзС^З^о. в) рентгенограмма с горячеуплотненных (550°С; 0,5 ГПа) образцов А165Сг2581ш.

Катодный материал должен иметь однородную структуру и низкую пористость, а также обладать некоторым запасом прочности и пластичности, допускающим механическую обработку катодных заготовок. Для отработки технологических режимов, обеспечивающих выполнение этих требований, проводили вариацию давлений холодного прессования и горячей допрессовки. При увеличении давления горячего уплотнения конечная пористость материала монотонно уменьшается, но не зависит от давления холодного прессования. Для смеси состава А17оСг3о минимальная пористость величиной около 2,5 % достигается при давлении 0,5 ГПа и остается постоянной при последующем увеличении давления горячего уплотнения.

Известно, что при горячей деформации порошковых композитов их прочность зависит от степени деформации. Чем больше деформация, тем больше перемещение порошковых частиц относительно ближайших соседей, при котором происходит разрушение окисных пленок на поверхности соприкасающихся порошинок и улучшается их сваривание. Для вариации величины деформации использовали заготовки постоянной массы из порошковых смесей, спрессованных вхолодную давлением 0,4 ГПа в цилиндрических прессформах различного диаметра (20, 28, 33, 35 и 39 мм) и имеющих различную высоту. Последующее горячее уплотнение проводили в пресс-форме 0 40мм. Нормальную е„ и тангенциальную ет составляющие деформации рассчитывали по формулам:

еп=(Н0-Н,)/Н0* 100%; ет =(ОгВ0)/О0* 100%.

Испытания порошковых горячеуплотненных композитов на трехточечный изгиб проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 18228-85. При температурах нагрева 350°С и 450°С увеличение предела прочности на изгиб композитов двух ис-

следованных составов происходит монотонно с ростом величины деформации при горячем уплотнении (рис. 7). При высокой температуре нагрева (550°С) предел прочности на изгиб всех исследованных композитов достигает максимального значения и остается постоянным при деформации прессовок в интервале от 27 до 75%.

Кроме прочности на изгиб для катодных материалов важен некоторый запас пластичности, чтобы избежать внезапного хрупкого разрушения катодов под действием перепада давлений на рабочей поверхности, обращенной в вакуумную камеру, и на тыльной поверхности, охлаждаемой проточной водой.

С 400-

300

о. 200 с

1юо

с 400

300

2.200 с:

|юо

О 20 40 60 80 Деформация при горячем уплотнении, %

0

0

20 40 60 80 Деформация при горячем уплотнении, %

а) б)

Рис.7. Зависимость прочности на изгиб порошковых композитов от величины деформации е„ при горячем уплотнении при различных температурах: а1 АЬпСгт: 61 А1«Сг™81к.: "»■ - 550°С: а - 450°С: А - 3504:.

а) АЬоСгзо; б) А165Сг258ио; ^ - 550°С; а - 450°С;

Так как испытания по ГОСТ 18228-85 не предполагают определения пластичности, мы оценили пластичность по величине стрелы прогиба при испытаниях на изгиб. В качестве меры пластичности приняли отношение пластической составляющей стрелы прогиба ДЬПЛ стандартных образцов к длине рабочей части образца Ь.

20 40 60 80 Деформация при горячем уплотнении, % а)

20 40 00 80 Деформация при горячем уплотнении, % б)

Рис.8. Зависимость пластичности при испытаниях на изгиб порошковых композитов от величины деформации е„ при горячем уплотнении при различных температурах: а) АЪо&зо; б) А^С^Эио;+ - 550°С; п - 450°С; А - 350°С.

При низких температурах горячего уплотнения пластичность композитов А1-Сг, А1-Сг-81 близка к нулю (рис.8). Увеличение температуры нагрева холоднопрессо-ванных заготовок приводит к значительному росту пластичности горячеуплотнен-ных заготовок композитов обоих составов. Для достижения максимальной прочно-

сти и пластичности исследуемых композитов температура и деформация должны быть выше определенных пороговых значений. Для композита А170Сгз0 пороговыми значениями являются £„ = 35% при 450°С и еп = 27% при 550°С. Для композита А1б5Сг2581ю для достижения максимальной прочности и пластичности требуется нагрев до 550°С и деформация не менее 27%. При введении хрупкого кремния объемная доля алюминия в композите А^С^З^оуменьшалась, из-за чего следовало бы ожидать снижения его прочности и пластичности по сравнению с пластичностью АЬоСгзо. Однако каких-либо существенных различий в свойствах этих двух композитов, полученных при интенсивном термосиловом воздействии (Т=550°С, е„=55 или 75%), не наблюдается. Возможное снижение физико-механических свойств композита АиСг^ю компенсируется упрочнением за счет легирования алюминиевой матрицы.

Для выяснения характера вышеописанных зависимостей прочности и пластичности порошковых композитов от их состава, температуры и величины деформации при горячем уплотнении было проведено фрактографическое исследование поверхностей разрушения образцов после испытаний на изгиб. Сводная картина изломов композитов А170Сгзо, полученных при разных величинах деформации и двух температурах нагрева: 350°С и 550°С, представлена на рис.9.

Т Величина деформации Е„

При минимальной температуре и деформации прессовок происходит деформация крупных частиц алюминия в контактах с более твердыми частицами хрома, мелкие частицы алюминия сохраняют форму, близкую к сферической. Формирования алюминиевой матрицы при этом режиме термосиловой обработки не происходит. После максимальной температуры и деформации (Т= 550°С, е„= 75%) происходит сращивание частиц алюминия. На всей поверхности излома видна картина разрушения алюминиевой матрицы в виде гребней отрыва, окаймляющих частицы хрома. Эволюция структуры композитов АЦзСг^ю, реконструированной по виду изломов, с увеличением температуры и степени деформации при горячем уплотнении качественно не отличается от вышеописанной для композита А17оСг3о.

Микротвердость алюминиевой матрицы в композитах А170Сгз0 и А165Сг258цо(рис.10), продеформированных при низкой температуре (350°С), не зависит ни от состава, ни от величины деформации в пределах разброса измерений. С повышением температуры нагрева и деформации происходит увеличение микротвердости, причем после термосиловой обработки при 550°С микротвердость матрицы в композите АЦвСгиЗчо выше, чем в композите А17оСгз0. Можно предположить, что рост твердости с температурой горячего уплотнения связан с эффектом упрочнения алюминиевой матрицы атомами хрома и кремния, диффундирующими в алюминий. Ускоренная диффузия в дефектной структуре, формирующейся при большой деформации, дает большую объемную долю образовавшегося твердого раствора и, как результат, большую твердость. Таким образом, на микротвердость алюминиевой матрицы влияют конкурирующие процессы наклепа, отдыха и диффузии хрома и кремния, которые происходят в алюминиевой матрице во время цикла «нагрев - деформация - охлаждение».

На основе результатов фрактогра-фического исследования и сопоставления физико-механических свойств структурных составляющих исследованных композитов можно утверждать, что прочность, пластичность и характер разрушения композитов в целом определяются свойствами самого пластичного компонента композиции - алюминия. По результатам проведенных исследо-алюминиевой матрицы. * ваний разработан способ изготовления

композиционных катодов, который включает приготовление порошковой смеси на основе алюминия, прессование из нее заготовки катода при комнатной температуре необходимой формы и размеров, последующий ее нагрев до температур, не превышающих температуру начала фазовых превращений, и уплотнение.

В пятом разделе диссертации рассмотрен опыт применения разработанных нами горячеуплотненных катодных материалов. Исследованы превращения на поверхности катодов под действием вакуумной дуги и ионной бомбардировки. На рабочей поверхности катодов под действием нагрева вакуумной дугой происходит расплавление поверхностного слоя, о чем свидетельствует сетка трещин, образовавшихся при кристаллизации (рис.11).

350 450 550

Температура деформации, °С

Рис.10. Влияние температуры горячей деформации порошковых композитов на микротвердость

а) б) в)

Рис. 11. Микроструктура поверхности отработанных вакуумно-дуговых катодов: а) АЬлСгзо; б) Al65Cr25Sil0; в) АЦоСгго^о

о- А!

а -

л-Сг

- 1

--------------------------------- —— 2 О, град

а> б) вр)

Рис. 13. Внешним вид магнетронного катода А^С^Эмо (а); оптическое изображение поперечного шлифа (б); рентгенограммы с рабочей поверхности исходного (1) и отработанного (2) магнетронного катода (в)

Экспериментальные горячеуплотненные катоды показали свою работоспособность и были использованы для нанесения вакуумно-дуговых покрытий в различных газовых средах (вакууме, Аг, N2, С02 и смеси Ы2+12об.% С2Н2). На покрытиях проведены металлографические и фрактографические исследования, определен их элементный и фазовый состав. Толщина покрытий составляла 8-15 мкм. При фракто-графическом исследовании покрытий было установлено, что вид изломов мало зависит от состава газовой среды (рис.14). В большинстве случаев изломы покрытий

Для всех трех катодов, различающихся составом, модифицированный слой состоит из интерметаллидов, что подтверждено данными рентгеноструктурного анализа. На поперечном сечении видим модифицированный слой, который на катоде с кремнием имеет большую толщину (рис.12). Это происходит из-за понижения температуры плавления катодного материала за счет образования легкоплавкой эвтектики алюминий - кремний. Толщина этого слоя также зависит от режимов работы катода и может достигать 80 мкм. Поэтому для катодов с кремнием рекомендуется вести процесс, при пониженных токах дуги, чтобы уменьшить содержание капельной фазы в осаждаемых покрытиях.

Элементный анализ модифицированного слоя на поверхности катодов выявил его обеднение алюминием и кремнием, что является следствием преимущественного испарения легких элементов из металлического расплава - раствора.

а) б) в)

Рис.12. РЭМ изображения поперечного шлифа катодов: а) АЬоСгзо; б) А^Сгг^ш; в) А1боСг2о8Ьо

При магнетронном распылении катода изменений фазового состава на рабочей поверхности не происходит и модифицированный слой отсутствует (рис.13). Это объясняется низкой температурой нагрева катода.

имели плотную или слабо выраженную слоистую структуру, а не дендритную столбчатую, которая является типичной для большинства ионно-плазменных покрытий.

- -

1 о цтМРНИИЩИгИ^*^ I ш

а) б) в)

Рис.14. Картина изломов покрытий: а)А165Сг2551ю(Аг); б)А1боСг20512о(Аг); в)А16оСг2о812о(СО)

Элементный и фазовый состав покрытий, осажденных при вакуумно-дуговом испарении порошковых катодов А1-Сг, А1-Сг-81, сильно зависит от состава и давления газовой среды. Дополнительное введение углерода и кислорода в атмосферу азота приводит к аморфизации осаждаемых покрытий. На рентгенограммах покрытий, нанесенных в среде углекислого газа и кислорода, отражения от данных покрытий отсутствуют (рис. 15).

1 I

а19СГ4 с-АШ

Ь-А^

20

60

20, град

а)

80

100

20

40

60

2 в, град

б)

80

100

Рис.15. Рентгенограммы покрытий: а) АЬо&зоО4!); б) А1боСг2о812о(СО).

(Пунктиром помечено положение отражений от подложки)

Влияние газовой среды на свойства покрытий проявляется и на результатах измерения микротвердости (рис.16). Максимальная микротвердость получена на нит-ридном покрытии А17оСг3о(М) с малым содержанием кислорода и углерода (0+С=1,9 ат.%). В оксикарбидных покрытиях понижение твердости можно объяснить уменьшением кристалличности из-за присутствия в них углерода или кислорода.

Покрытия, осажденные вакуумно-дуговым испарением катодов А1-Сг, А1-Сг-81 на оборудовании ОАО «Омский НИИД» в различных газовых средах, были подвергнуты всесторонним испытаниям по методикам Всесоюзного института авиационных материалов (ВИАМ). По результатам испытаний на трение, эрозионную стойкость в струе абразива, коррозионную стойкость в солевых растворах и окалиностойкость был сделан вывод о перспективности применения разработанных катодов А1-Сг, А1-Сг-81 для нанесения износостойких покрытий на детали авиационных двигателей. Акты испытаний приведены в диссертации (приложение № 2).

№ покрытия

Рис.16. Микротвердость покрытий в зависимости от состава катода и газовой среды. №3 - а^с^мат); № 6 - А1боСг2о312„(Аг); № 7 - А160Сг2о5120(СО); № 10-А16с,Сг20812о(СК); №12-а17оСгзо(н); №13 - А165СГ2581|,1

Результаты и выводы

1. Спекание СВС- порошков целевого состава при температурах, близких к температурам плавления, и длительности изотермической выдержки не менее 4 часов позволяет получить катодные материалы с плотностью, достаточной для их практического применения.

2. В двухкомпонентных прессовках А1-Сг после 7-10 часов выдержки при температуре 500°С на воздухе наблюдается ускоренный привес и объемный рост. Причина этого ускорения - образование интерметаллидных прослоек на границах смежных разнородных частиц, приводящее к разрыхлению структуры материала, увеличению доли открытой пористости и потока кислорода внутрь прессовки. Дополнительный поток кислорода вызывает окисление обнажившихся поверхностей частиц и образовавшегося интерметаллида. В трехкомпонентных прессовках А1-Сг-81 такого ускорения привеса и объемного роста не наблюдается, так как интерметаллиды в этом случае не образуются, предположительно, из-за блокирующего действия кремния на границах смежных частиц алюминия и хрома.

3. Разработан способ получения катодных материалов с использованием горячего уплотнения смесей элементарных порошков. На данный способ подана заявка на патент.

4. Совокупность результатов механических испытаний и фрактографических исследований позволяют утверждать, что физико-механические свойства горяче-уплотненных порошковых композитов определяются свойствами алюминиевой матрицы, формирующейся при сращивании смежных частиц алюминия.

5. Тепловое воздействие при магнетронном распылении не приводит к изменению структуры и фазового состава на рабочей поверхности горячеуплотненного А1-Сг-81 катода. В противоположность этому, под воздействием нагрева вакуумной дугой рабочей поверхности катодов А1-Сг и А1-Сг-81 происходит оплавление поверхностного слоя, который при охлаждении кристаллизуется с образованием интерме-таллидов. Введение кремния приводит к понижению температуры плавления катодного материала за счет образования легкоплавкой эвтектики алюминий - кремний и в результате, к увеличению толщины оплавленного слоя.

6. В модифицированном слое на рабочей поверхности катодов наблюдается обеднение алюминием и кремнием по сравнению с их содержанием в объеме катода.

7. Экспериментальные катоды, полученные горячим уплотнением порошковых смесей, показали свою работоспособность и были использованы для нанесения ва-куумно-дуговых и магнетронных покрытий при вариации технологических режимов и состава газовой среды.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

В журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий:

1. Г.А. Прибытков Г.А., В.В. Коржова, Е.Н. Коростелева. Твердофазное спекание порошковых СВС-лигатур системы Al-Cr(Si,Ti). // Известия ВУЗОВ. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. -2011. -№ 2. - С. 16-24.

2. Коростелева Е.Н., Коржова В.В., Прибытков Г.А. Структурообразование и объемные изменения в порошковых прессовках из алюминия, хрома и кремния при термообработке. // Известия ВУЗОВ. Физика. - 2011. - т.54. - № 11/3. - С.201-207.

3. Г.А.Прибытков, В.В. Коржова, Д.С. Кастеров. Окисление и структурные превращения в порошковых прессовках на основе алюминия при нагреве на воздухе. // Изв. ВУЗОВ. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2012. — № 3. -С.12-19.

4. Г.А.Прибытков, В.В. Коржова, Е.Н. Коростелева. Композиты Al-Cr, Al-Cr-Si, полученные горячим уплотнением порошковых смесей. // Технология металлов. — 2012. -№ 11. - С.48-53.

5. Е.Н. Коростелева, В.В. Коржова, Г.А. Прибытков. Структура и физико - механические свойства горячепрессованных порошковых композитов Al-Cr, Al-Cr-Si. // Изв. ВУЗОВ. Физика. - 2012. -т.55. -№ 5/2. - С.156-163.

6. G.A. Pribytkov, V.V. Korzhova, E.N. Korosteleva, A.A. Andreev, Serdiyk I.V. Multi-component Nitride Coatings Deposited at Vacuum Arc Evaporation of Powder Cathodes Al-Cr, Al-Cr-Si. // Изв. ВУЗОВ. Физика. - 2012. - Том 55. -№ 12/3. - С. 44-47.

7. Г.А. Прибытков, В.В.Коржова, Е.Н.Коростелева. Прочностные свойства и особенности разрушения композитов систем Al-Cr и Al-Cr-Si, полученных горячим уплотнением порошковых смесей. // Деформация и разрушение материалов. - 2013. -№ 8. -С. 13-20.

8. G.A. Pribytkov, V.V. Korzhova, E.N. Korosteleva. Solid-phase sintering of Al-Cr(Si,Ti) powder foundry alloys obtained by self-propagating high temperature synthesis. // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. - 2013. - Vol. 54. - № 3. _ p.252-260.

9. Прибытков Г.А., Коржова B.B., Богомолов B.A., Гринберг П.Б. Микроструктура, фазовый и элементный состав покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением порошковых катодов Al-Cr, Al-Cr-Si в различных газовых средах. // Физика и химия обработки материалов. —2014. — № 1.-С. 37-44.

В других научных изданиях'. 1. G.A. Pribytkov; V.V. Korjova; E.N. Korosteleva. Novel Wear Resistant Nitride Coatings for Metal Cutting Tools. // Proceedings of 9th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows. 2008. — Tomsk, Russia. — P.501-504.

2. Прибытков Г.А., Коржова В.В., Коростелева E.H. Перспективные составы износостойких и жаростойких нитридных покрытий на металлорежущий инструмент. // Тезисы докладов Материалы 8ой Международной конференции "Инженерия поверхности и реновация изделий". 2008. -Ялта, Украина. - С.198-199.

3. Коржова В.В., Прибытков Г.А., Коростелева E.H. Технологические проблемы получения порошковых мишеней для синтеза наноструктурных покрытий на основе CrAlN. // Тезисы докладов Международной конференции по физической мезомеха-нике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. 2009. -Томск, Россия. - С.419-420.

4. Прибытков Г.А, Коржова В.В., Фирсина И.А., Коростелева E.H., Композиционные порошковые материалы «алюминий - переходный металл» (технологии получения и свойства). // Тезисы докладов Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. 2011. - Томск, Россия. - С.398-399.

5. Г.А. Прибытков, В.В. Коржова. Окисление и межфазное взаимодействие в прессовках из смесей порошков алюминия и хрома при нагреве на воздухе. // Материалы V Международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии их получения». 2011. - Новочеркасск, Россия. - С.55-64.

6. G.A. Pribytkov, V.V. Korzhova, I.A. Firsina, E.N. Korosteleva, A.V. Gurskih. Multi-component Nitride Coatings Deposited at Vacuum Arc Evaporation of Powder Cathodes. // Abstracts of 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 2012. - Tomsk, Russia. - P. 450.

7. Г.А. Прибытков, В.В.Коржова, В.А.Богомолов, П.Б.Гринберг. Микроструктура, фазовый и элементный состав покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением порошковых катодов Al-Cr, Al-Cr-Si в различных газовых средах. // Сб. докладов 8-го Международного симпозиума «Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы, сварка». 2013. - Минск, Белоруссия. - С.299-304.

8. В.В. Коржова, Г.А.Прибытков. Объемные изменения в порошковых прессовках Al-Cr-Si при нагреве на воздухе. — Материалы Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы». 2013. -Томск, Россия. - С.282-286.

9. И.А. Фирсина, В.В. Коржова, Г.А. Прибытков. Композиты на основе алюминия, полученные горячим уплотнением смесей из элементарных порошков. - Материалы Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы». 2013. - Томск, Россия. - С.357-361.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 45.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. 49-10-93.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

04201 460768 На пРавах РУкописи

Коржова Виктория Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОРОШКОВЫХ КАТОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ А1-Сг, А1-Сг-81 ДЛЯ ИОННО ПЛАЗМЕННОГО СИНТЕЗА ИЗНОСОСТОЙКИХ

ПОКРЫТИЙ

05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Прибытков Г.А.

Томск-2014

Содержание.

Введение..............................................................................................................................................................5

1. Обзор литературы..............................................................................................................................13

1.1. Порошковые технологии получения материалов................................................13

1.1.1. Традиционные технологии порошковой металлургии..............................14

1.1.2. Горячая деформационная обработка порошковых материалов..........22

1.1.3. Технологии на основе СВС..................................................................................................30

1.1.4. Технологии получения многокомпонентных катодных материалов..............................................................................................................................................................................34

1.2. Многокомпонентные ионно-плазменные покрытия..........................................38

1.2.1. Физико-механические свойства износостойких покрытий....................38

1.2.2. Основные методы нанесения износостойких покрытий............................44

1.2.3. Свойства многокомпонентных покрытий..............................................................54

2. Постановка задачи. Материалы, методы и оборудование......................62

2.1. Постановка задачи............................................................................................................................62

2.2. Применяемые порошки и порошковые объекты исследования..............64

2.3. Приборы и методы исследования порошковых материалов и покрытий....................................................................................................................................................................69

2.4. Оборудование и методы нанесения покрытий......................................................70

3. Формирование структуры и объемные изменения при спекании порошковых композиций системы А1-Сг-8ьТ1..........................................................72

3.1. Композиции состава А170Сгз0..................................................................................................73

3.1.1. Порошковые смеси (СВС-интерметаллид + металл)....................................73

3.1.2. Объемные изменения при спекании СВС - порошков..............................74

3.1.3. Фазовый состав..............................................................................................................................76

3.1.4. Микроструктура и элементный состав......................................................................77

3.2. Трехкомпонентные системы А1-Сг-81 (ТГ)..................................................................79

3.2.1. Фазовый состав..............................................................................................................................81

3.2.2. Микроструктура и элементный состав......................................................................84

3.3. Заключение по разделу 3............................................................................................................87

4. Структура и свойства порошковых композиций А1-Сг и А1-Сг-

Si, подвергнутых термосиловой обработке............................................................89

4.1. Окисление и структурные превращения в порошковых прессовках

на основе алюминия при нагреве на воздухе..............................................................92

4.1.1. Прессовки из смесей алюминий - хром..................................................................93

4.1.2. Прессовки из алюминиевого порошка........................................................................100

4.1.3. Прессовки из смесей алюминий - хром - кремний........................................101

4.2. Влияние температуры на структурные превращения в порошковых композитах..........................................................................................................................................................104

4.2.1. Прессовки состава А170Сгз0..................................................................................................105

4.2.2. Прессовки состава Al65Cr25Siio..........................................................................................109

4.3. Структура, прочность и разрушение порошковых композитов

Al-Cr, Al-Cr-Si................................................................................................................................................113

4.3.1. Пористость и макроструктура..........................................................................................114

4.3.2. Микроструктура и фазовый состав..............................................................................119

4.3.3. Твердость..............................................................................................................................................122

4.3.4. Прочность и пластичность....................................................................................................124

4.3.5. Характер разрушения................................................................................................................127

4.4. Заключение по разделу 4............................................................................................................134

5. Опыт применения порошковых катодов алюминий - хром (кремний) в технологиях нанесения ионно-плазменных покрытий. 137

5.1. Структурные превращения на рабочей поверхности катодов

А1 - Cr, А1 - Cr - Si под действием вакуумной дуги....................................................138

5.1.1. Катод А170Сгз0....................................................................................................................................141

5.1.2. Катод Al65Cr25Si,о..........................................................................................................................143

5.1.3. Катод Al6oCr2oSi2o..........................................................................................................................146

5.2. Структура поверхностного слоя катода Al65Cr25Siio после магне-тронного распыления..............................................................................................................................149

5.3. Исследование покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением порошковых катодов Al-Cr, Al-Cr-Si в различных газовых сре-

дах..............................................................................................................................................................................152

5.3.1. Микроструктура покрытий..................................................................................................152

5.3.2. Фазовый состав покрытий....................................................................................................154

5.3.3. Элементный состав покрытий..........................................................................................158

5.4. Заключение по разделу 5............................................................................................................165

Выводы................................................................................................................................................................167

Список литературы................................................................................................................................169

Приложения....................................................................................................................................................189

ВВЕДЕНИЕ

• Актуальность проблемы

Современный уровень развития машиностроения характеризуется применением новых инструментальных материалов и технологий, позволяющих существенно повысить работоспособность режущего инструмента. Из большого многообразия методов повышения работоспособности режущих инструментов следует выделить методы нанесения износостойких покрытий, которые в последние годы находят все более широкое применение [1]. Использование металлорежущего инструмента с предварительно нанесенными тонкими (1—5 мкм) износостойкими покрытиями обеспечивает ряд важных преимуществ: повышение производительности обработки резанием на 20— 200%, увеличение срока службы инструмента до 1,5—10 раз при обработке конструкционных сталей, до 4 раз — при резании корозионностойких и жаропрочных сталей, в 1,5—2,5 раза — при обработке титановых и никелевых сплавов. Кроме того, достигается снижение расхода сложнопрофильного инструмента вследствие уменьшения количества его переточек [2].

Одним из первых пленочных покрытий на режущий инструмент использован нитрид титана, имеющий удачное сочетание высокой твердости с отсутствием схватывания с обрабатываемым материалом при трении. Однако, в настоящее время TIN - покрытия имеют ограниченное применение из-за низкой устойчивости к окислению при температурах выше 500°С, которые обычно достигаются в процессе резания. Другие покрытия из простых тугоплавких соединений также уже не отвечают современным требованиям, и почти полностью заменены многокомпонентными покрытиями, представляющими собой сложные нитриды, карбиды, бориды, а также еще более сложные комплексные соединения: карбонитриды, карбосилициды, боросидициды и т.д.

С начала 90-х годов прошлого века и по настоящее время наиболее широко применяются сложные нитриды Al-Ti и Al-Ti-Si в качестве покрытий на металлорежущий инструмент. Позднее на рынок вышел инструмент с покры-

тиями А1-Сг и А1-Сг-8ь Эти хромсодержащие сложные нитриды значительно превосходят другие нитриды, в том числе АШЫ и АП^Ы по стойкости к окислению при высоких температурах, что обеспечивает повышение ресурса работы инструмента с покрытиями.

Покрытия сложного элементного состава наносят из многокомпонентной плазмы, для получения которой можно использовать одновременное испарение нескольких катодов различного элементного состава (метод совмещенных пучков). Недостатки этого метода - конструктивно более сложное оборудование и пространственная неоднородность элементного состава плазмы, генерируемой из разных источников. Использование многокомпонентных катодов позволяет существенно упростить конструкцию оборудования для нанесения покрытий, повысить надежность его работы и однородность генерируемой плазмы.

В настоящее время используют многокомпонентные катоды трех типов: сплавные, мозаичные и композиционные. Для получения композиционных катодов широко используют порошковые технологии: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), спекание и горячее прессование. Эти технологии позволяют получать самые разнообразные по составу многокомпонентные и многофазные материалы, которые трудно или невозможно получить другими методами.

На сегодняшний день основным методом получения порошковых композиционных катодов является СВС-компактирование. Этим методом сотрудники Московского института стали и сплавов (Е.А. Левашов, Д.В. Штан-ский и др.) получают мишени для магнетронного распыления сложных составов. Работы по получению катодов методом СВС-компактирования ведутся также в Самарском государственном техническом университете. Недостатком СВС метода является то, что он может быть реализован в ограниченном диапазоне концентраций компонентов мишеней, поскольку инициирование реакции горения возможно только при составах порошковых смесей, имеющих достаточную термичность. Кроме этого существенным недостат-

ком катодных материалов, получаемых методом СВС - компактирования, является высокий уровень внутренних напряжений, которые иногда приводят к самопроизвольному разрушению мишеней. Поэтому в настоящее время задача разработки способов изготовления многокомпонентных порошковых катодов альтернативных СВС является актуальной.

С учетом вышеизложенного основной целью работы является исследование структуры и свойств композитов, полученных твердофазным спеканием СВС - порошков и горячим уплотнением холоднопрессованных смесей из порошков алюминия, хрома, кремния, и разработка способов получения многокомпонентных порошковых катодов для ионно-плазменного нанесения покрытий.

В соответствии с этой целью были поставлены задачи:

1. Исследовать объемные изменения при вариации температуры и времени твердофазного спекания СВС - порошков системы А1-Сг(81,Т1).

2. Исследовать изменения массы, объема, структуры и фазового состава порошковых прессовок из смесей алюминия, хрома и кремния при нагреве на воздухе.

3. На основе результатов исследований отработать технологические режимы получения плотных катодных материалов из смесей элементарных порошков методом горячего уплотнения холоднопрессованных заготовок.

4. Исследовать структурные превращения в поверхностном слое порошковых композиционных катодов под действием вакуумной дуги и ионной бомбардировки.

5. Провести исследования и испытания покрытий, полученных вакуум-но-дуговым испарением экспериментальных катодов.

Научная новизна

1. Впервые исследованы объемные изменения и формирование структуры при твердофазном спекании СВС - порошков системы А1-Сг(81, Тл) и показана возможность получения плотных спеченных материалов с содержанием хрома до 30 ат.%.

2. Исследована структура и физико-механические свойства горячеуплотненных порошковых композитов А1-Сг(81) и установлена ведущая роль алюминиевой матрицы в обеспечении необходимой прочности и пластичности полученных катодных материалов

3. Исследованы структурные превращения при вакуумно-дуговом нагреве на рабочей поверхности катодов А1-Сг(81), изготовленных горячим уплотнением порошковых смесей из элементарных порошков. Установлено образование сплошного оплавленного слоя толщиной до 80 мкм на поверхности катодов при токах дуги более 90А.

• Практическая ценность

1. Отработаны режимы спекания интерметаллидных порошков А1-Сг(81,Т1), обеспечивающие получение катодных материалов с пористостью менее 10 %, что является достаточным для их использования в ионно-плазменных технологиях нанесения покрытий.

2. Разработан способ получения порошковых катодных материалов на основе алюминия методом горячего уплотнения холоднопрессованных заготовок из элементарных порошков. Подана заявка на патентование способа. Экспериментальные катоды, изготовленные по этому способу, прошли испытания на вакуумно-дуговом оборудовании предприятия «СКИФ-М» (г. Белгород). По результатам испытаний получен заказ на изготовление катодов А1-Сг и А1-Сг-81 в объеме годовой потребности предприятия для их использования при нанесении покрытий на металлорежущий инструмент (Приложение № 1).

3. Проведены испытания покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением в различных газовых средах экспериментальных катодов А1-Сг и А1-Сг-81 в условиях воздействия абразивных частиц, окислительной и химически агрессивной среды. По результатам испытаний рекомендовано использование разработанных катодов для нанесения износостойких покрытий на детали авиационных двигателей (Приложение № 2).

• Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования материалов, полученных спеканием СВС-порошков системы Al-Cr(Si,Ti), и разработанные на основе этих результатов режимы спекания, которые позволяют получить катодные материалы с плотностью достаточной для их практического применения.

2. Способ и технологические режимы изготовления горячеуплотненных катодных заготовок из смесей порошков алюминия, хрома и кремния.

3. Результаты исследования эффектов модификации поверхностного слоя горячеуплотненных катодов Al-Cr, Al-Cr-Si под действием вакуумной дуги и ионной бомбардировки, которые позволяют дать рекомендации по оптимизации процесса нанесения покрытий.

• Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации представлены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:

■ 8-ая Международная научно-технической конференция «Инженерия поверхности и реновация изделий» (г. Ялта, май 2008 г.).

■ 9th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows (Tomsk, 2008).

■ Международные конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, сентябрь 2009 г.; сентябрь 2011 г.).

■ V Международная научно-практической конференция «Новые материалы и технологии их получения» (Новочеркасск, ноябрь 2011г.)

■ 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. (Tomsk, 2012)

■ 8-ой Международный симпозиум «Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы, сварка» (Минск, апрель 2013г.)

■ Международная конференция «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Томск, сентябрь 2013г.)

Результаты работы изложены в 18 публикациях, в том числе в 9 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач, использованием апробированных методов и методик исследования, согласованием полученных результатов с данными других исследователей.

• Объем и структура работы.

Текст диссертации состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 196 страницах, содержит 86 рисунков и 37 таблиц. Библиографический список состоит из 185 наименований.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность, представлена структура диссертации.

В первом разделе приведен обзор литературных данных о физико-механических свойствах износостойких покрытий. Рассмотрены основные методы нанесения многокомпонентных нитридных покрытий. Обоснована перспективность применения Al-Cr, Al-Cr-Si покрытий. Показана перспективность использования порошковой металлургии для изготовления композиционных катодов, рассмотрены традиционные технологии порошковой металлургии, а также методы горячей деформационной обработки порошковых материалов.

Во втором разделе сформулирована постановка задачи, описаны используемые материалы и объекты исследования, способы их получения. Описаны методы и методики экспериментальных исследований порошковых материалов и покрытий, а также используемые приборы и оборудование.

Третий р�