автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка стойких к абразивному изнашиванию плазменных покрытий, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана

т-.

Т.;

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНЦЕРН ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

УДК 621. ТП

■ ТАЛАКО Татьяна Леонидовна

РАЗРАБОТКА СТОЙКИХ К АБРАЗИВНОМУ ИЗНАШИВАНИЮ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, СОДЕРЖАЩИХ В КАЧЕСТВЕ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ КАРБИД ТИТАНА

05. 16. 0 б- Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1997.

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Оппонирующая организация - Физико-технический институт АН РБ.

Защита диссертации состоится 16 мая 1997 г. в 10.00 часов на заседании совета по защите диссертаций Д.02.40.01 Белорусского государственного научно-производственного концерна порошковой металлургии по адресу: 220071,г.Минск, ул. Платонова, 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного научно-производственного концерна порошковой металлургии.

Автореферат разослан " 997 г.

Научный руководитель» академик АН РБ, доктор технических наук,

профессор О.В. Роман.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор И.Л.'Куприянов,

кандидат технических наук, доцент В.Р. Калиновский.

В.М.Горохов

© Талако Т. Л., 1997

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, на базе которых разработаны ПС-содержащие композиционные плазменные покрытия с повышенной стойкостью к абразивному изнашиванию.

Актуальность темы диссертации. Современная техника испытывает острую потребность в деталях, имеющих низкую металлоёмкость и высокие надежность и долговечность. Основной причиной выхода из строя деталей и рабочих органов машин является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей. Среди различных видов изнашивания детален машин наиболее распространённым и быстро протекающим является абразивное, при котором разрушение поверхностного слоя детали осуществляется твёрдым материалом. С точки зрения увеличения износостойкости поверхности наиболее перспективными являются технологии нанесения покрытий, позволяющие также восстанавливать детали после эксплуатации, что весьма актуально в быстроизнашивающихся узлах.

Среди материалов, применяемых в настоящее время для нанесения износостойких покрытий, особое место занимает карбид титана (НС), который, обладая высокой износостойкостью и твердостью при высоких и низких температурах, химической стабильностью, невысоким коэффициентом трения, малой склонностью к схватыванию и холодной сварке, в то же время недифицитен и сравнительно недорог.

Одним из наиболее эффективных и универсальных методов нанесения защитных покрытий является плазменное напыление. Обладая высокими скоростью истечения и температурой, плазменная струя обеспечивает возможность напыления большинства материалов. Высокая производительность и большое количество параметров, обеспечивающих гибкое регулирование процесса напыления, обусловили широкое использование способа при нанесении покрытий.

Как и большинство карбидов с ГЦК-ргшёткой, НС имеет широкую область гомогенности. При этом с изменением дефектности по углероду твердость и износостойкость его заметно колеблется. Однако при достаточно. широком использовании карбида титана для плазменного напыления износостойких композиционных покрытий до настоящего времени оставался практически не изученным вопрос о составе карбида в газотермических покрытиях, влиянии на него режимов и способов плазменного напыления и связанных с этим возможностях увеличения износостойкости покрытий, что и обусловило актуальность работы.

Связь работы с крупными неумными программами, темами. Работа выполнена в рцмках совместной международной программы по газотермическому напылению нзносо- и коррозионностойких покрытий 12WISCO (подписанной 5 октября 1990г. в г. Аахен, Германия), выполняемой при поддержке Research Center of the United Technok^ies Corporation (США), комплексной программы фонда фундаментальных исследований РБ "Наука-92-95" (1992-1995гг.), а также республиканских целевых научно-технических программ "Материал-2" (1993-1996гг.) и "Триботехника" (1994-1996П').

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка перспективных . TiC-содержащих композиционных плазменных покрытий для работы в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1) выбрать перспективные материалы для напыления;

2) исследовать влияние способов получения композиционных порошков на состав карбида титана и выбрать технологии, обеспечивающие стехиомстрнчсский или близкий к нему состав TjC;

3) изучить структуру к свойства покрытий из выбранных материалов и разработагь технологии их плазменного напыления;

4) исследовать особенности процесса подводного плазменного напыления (ППН) и новые возможности получения покрытий этим способом;

5) разработать технологические процессы нанесения композиционных плазменных покрытий на детали, работающие в условиях интенсивного абразивного изнашивания.

Научная новизна полученных результатов. Впервые на основе анализа состава карбида титана и структуры материалов, а также их влияния на трибологические свойства покрытий изучены процессы плазменного напыления композиционных материалов систем Ni-Cr-B-Ti/TiC, Al/TiC и Fe/TiC-, что позволило отдать покрытия с повышенной стойкостью к абразивному изнашиванию..

Предложены способы защиты карбида титана от термической диссоциации при напылении.

• Добавление к напыляемым материалам системы Ni-Cr-B-Ti/TiC чешуек нихрома позволяет избежать разложения карбида титана на жестких режимах напыления, при которых Достигается высокое качество покрытий. Это связано с быстрым снижением температуры плазменной струи в результате испарения,нихрома, в то время как ее энтальпия практически не уменьшается; тем самым удается увеличить стойкость покрытий к абразивному изнаши-, ванню в 1.5...2 раза.

Особенности структуры полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) композиционных порошков систем А1/ПС и Ре/ПС, содержащих гомо генно распределенные в объеме каждой частицы дисперсные зерна ПС, позволяют избежать окислення н термической диссоциации 'ПС при плазменном напылении композиционных покрытий в воздушной атмосфере и обеспечивают его однородное объемное распределение.

Определены основные особенности процесса подводного плазменного напыления и новые возможности нанесения покрытий этим способом.

Установлено, что особенности газодинамики плазменных струй под водой обусловлены, главным образом, влиянием давления водяного столба, выражающимся в сильном торможении газов и увеличении стационарного давления плазмы.

Плазменная струя практически не эжектирует окружающую среду - воду, вследствие чего ее химический состав является постоянным й контролируемым, а движение газов следует рассматривать как канальное.

Вследствие обжатия плазменной струи водой и малых дистанций обработки тепловые потоки от плазменных газов к напыляемой поверхности в 100 и более раз превышают таковые для плазменной обработки з газовых средах. Показано, что использование пористых сопловых насадок позволяет регулировать тепловые условия в пятне напыления. Эжекция воды через поры охлаждает струю плазменных газов, практически не уменьшая температуру напыляемых частиц. Изменением размеров насадки можно управлять степенью охлаждения плазменной струи, что особенно важно при Малых дистанциях напыления.

Предложен способ точного контроля дистанции при напылении под водой по силе тока, возникающего между соплом (сопловой насадкой) плазмотрона и основой при приложении к ним разности потенциалов (заявка на изобретение N 960065, приоритет от 15 февраля 1996г.). Такой способ обеспечивает формирование высокоплотных покрытий из металлоке-рамических порошков.

Установлено, что в интервале температур покрытия от 100 до 700°С скорость охлаждения покрытий в воде превышает скорость охлаждения его на воздухе в 300 и более раз. Предложен способ дополнительного увеличения скорости охлаждения покрытий (заявка на изобретение N 960066, приоритет от 15 февраля 1996г.). Подача в зону охлаждения покрытия струи воды уменьшает толщину пограничного слоя и интенсифицирует процессы теплообмена. При этом коэффициент теплоотдачи от обрабатываемого изделия в окружающую воду легко регулируется расходом последней и может достигать 100 Вт/(мК), приводя к формированию микро- н нанокристаллической структуры.

Практическая значимость полученных результатов. Разработаны перспективные плазменные покрытия для защиты деталей, работающих в условиях микрорезания и газоабразивной эрозии.

Разработан способ нанесения покрытий методом подъодного плазменного напыления в режиме оплавления с применением пористых насадок и точным контролем дистанции на-ныления, позволяющий получать ыеталлокерамические покрытия с пористостью менее 2%,

Разработаны и внедрены в НИИ порошковой металлургии технологические процессы наделения композиционных покрытий на рабочие поверхности ножей для резки сетки из керамических волокон (ТП N 01171.01720) и лопаток турбин дробеметной камеры, модели 42612 (ТП N 01171.01719).

Экономическая значимость полученных результатов. Использование покрытий позволяет увеличить срок службы ножей до перезаточки в 3,5..4,5 раза по сравнению с но, жами, изготовленными из стали 5ХНМ и повысить ресурс работы лопаток в 1,1.1,4 раза по сравнению с обычно применяемыми чугунными.

Основные положения диссертации, иыноснмые на защиту.

При жестком абразивном изнашивании, характеризующимся высоким внешним силовым воздействием на контакте между абразивом и поверхностью, формирование эвтектической структуры №-Сг-В-Т1 сплава на основе тау-борида и №-твердого раствора, упрочненной твердыми включениями, позволяет получить оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств композиции М-Сг-В-'ПЛЧС и обеспечить повышенную износостойкость покрытий в условиях микрорезаиия.

Сочетание высокой пластичности связки, обеспечивающей диссипацию энергии в условиях высоких внешних динамических нагрузок, с высоким содержанием в мелкозернистой структуре частиц карбида титана, воспринимающих основную нагрузку, обеспечивает стойкость покрытий систем ре/Т^С и А1/"ПС к газоабразивному изнашиванию, не уступающую стойкости твердых сплавов рри более низкой стоимости.

Особенности метода подводного плазменного напыления (обжатие плазменной струи водой, малые дистанции напыления, увеличение теплового потока от плазменных газов к напыляемой поверхности и скорости охлаждения покрытий) позволяют получать высокоплотные покрытия из металлокерамических материалов, а также осуществлять процесс напыления с одновременной термообработкой.

Определены оптимальные способы и режимы плазменного напыления композиций, обеспечивающие:

сохранение в структуре покрытий стехиометрического или близкого к нему состава карбида титана, характеризующегося максимальной износостойкостью;

хорошую когезионную связь между компонентами композиционного, покрытия, обеспечивающую релаксацию напряжений в системе и ее структурную целостность при приложении нагрузки; .

минимальную пористость.

За счет вышесказанного достигается повышенная стойкость покрыти.й к абразивному изнашиванию.

Личный вклад соискателя. Автором диссертации были проведены все исследования структуры и свойств порошков и покрытий, представленные в ргботе (за исключением испытаний на износостойкость покрытий системы Ni-Cr-B-Ti/TiC, выполненных в Техническом Университете, г. Хемнитц, Германия); разработаны методики фазового анализа и оптимизирован состав покрытий на основе тау-боридных сплавов; определены оптимальные ре:кимы напыления; разработаны технологические процессу нанесения покрытий на детали,. Совместно с кандидатом технических наук A.A. Верстаком разработан способ подводного плазменного напыления в режиме оплавления с использованием пористых сопловых насадок и точным контролем дистанции напыления. Технологии получения СВС-порошков систем Fe/TiC и Al/TiC разработаны старшим научным сотрудником Т.А. Азаровой.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты и положения работы докладывались на 4-й Европейской конференции го материалам и технологиям " Восток -Запад" (Санкт-Петербург,1993г.)^ восьми научно-технических конференциях по проблемам нанесения защитных покрытий (Минск,май 1992г.; Киев,октябрь 1992г.; Минск, октябрь 1992г.; Новополоцк, апрель 1995 г.; Санкт-Петербург, май-июнь 1995г.; Севастополь, сентябрь 1995г.; Таллинн, ноябрь 1995г.; Цинциннатти, октябрь 1996г.), II конференции "НОМАТЕХ-96" (Минск, май 1996г.) и на ежегодных совещаниях по программе EWISCO (США, июнь 1992г., Аахен, март 1993г., Берлин, ноябрь 1993г.).

Опубликовапность результатов. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в десяти печатных работах и ежегодных сообщениях по программе EWISCO. Получены приоритетные справки-на дна патента Республики Беларусь "Способ плазменного напыления".

Структура и сбъем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, вы: водов, списка использованных источников и приложения. Она содержит 98 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 10 таблиц и 105 библиографических источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность разработки стойких к абразивному изнашиванию плазменных покрытий, содержащих в качестве твердо^ фазы карбид титана. •

В первой главе выполнен анализ современного состояния в области техники и технология нанесения износостойких покрытий.

Показано преимущество использования "в условиях абразивного изнашивания покрытий с композиционной структурой, содержащей твердые частицы в упруго-пластичной матрице. При этом выбор матрицы связан с конкретными условиями работы и определяется видом изнашивания.

Выделены два наиболее актуальных направления создания износостойких покрытий, связанных с высокой интенсивностью процессов абразивного изнашивания и широким ра& пространением таких деталей в промышленности.

Первое направление охватывает широкий круг деталей, применительно к которым соблюдаются закономерности изнашивания при микрорезании, характеризующиеся высоким внешним силовым воздействием на контакте между абразивом и поверхностью, В этом случае наиболее важными факторами, определяющими износостойкость покрытий, наряду с прочностными свойствами частиц является общая твердость матрицы. Рассматривается новый тип твердых сплавов на никелевой основе системы М-Ст-В-Ть свойства которого определяются тройным комплексным боридом - тау-(т)-боридом. Отмечается, что невысокая температура плавления (1 Ю0...1300°С) делает этот материал перспективным для напыления, а использование его в области составов, обеспечивающих формирование эвтектической структуры сплава на основе тау-борида и №-твердого раствора, упрочненной твердыми включениями, позволит получить требуемое сочетание прочностных и пластических характеристик материала.

Второе направление касается защиты деталей от газоабразивного изнашивания. При работе в таких условиях твердость связующей фазы не оказывает полезного эффекта на износостойкость покрытий, которая связана со способностью материала диссипировать энергию в условиях высоких внешних динамических нагрузок и обеспечивается пластичностью связки. При этом для обеспечения высокой стойкости к изнашиванию следует стремиться получать мелкозернистую структуру с высоким содержанием твердой фазы. На основе анализа физико-механических свойств, достигаемых в покрытиях, с учетом стоимости материи-

лов для нанесения покрытий на детали, подвергающиеся газоабразивному изнашиванию в качестве металла-связки выбраны железо и алюминий. Последний предполагается использовать при нанесении покрытий на легкие сплавы. Отмечается, что недостаточная разработка порошковых композиций систем Ре/ТС и А1АПС сдерживает развитие их плазменного напыления.

Показано, что при напылении материалов с различной плотностью, температурой плавления и др. предпочтительно использование композиционных порошков.

Дан анализ способов получения композиционных порошков для напыления - карбо-; Пильного метода, методов получения порошков восстановлением, термовакуумным осаждением, плазменным плакированием, конгломерированием с „использованием органической связки, механическим легированием и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом. Для получения композиционных порошков системы Ы'|-Сг-В-"ПАПС выбраны методы конгломерирования с использованием органической связки и механического легирования, систем А1/ПС и Ре/ПС - метод СВС.

Рассмотрены способы нанесения износостойкйх карбидосодержащих покрытий. Приведены основные характеристики наплавки, газопламенного, детонационно-газового, высокоскоростного газопламенного и плазменного напыления в воздушной атмосфере и при пониженном давлении. Отмечается, что для нанесения износостойких покрытий представляет интерес новый и еще малоизученный метод подводного плазменного напыления ( ППН ). Однако для разработки технологий необходимо детальное изучение основных процессов, происходящих при ППН.

В целом для достижения высокой стойкости к абразивному изнашиванию технология Напыления ИС-содержащих композиционных покрытий должна обеспечивать:

сохранение стехиометрического или близкого к нему состава карбида титана, характеризующегося максимальной износостойкостью;

хорошую когезионную связь между компонентами композиционного покрытия, обеспечивающую релаксацию напряжений в системе и ее структурную целостность при приложении нагрузки;

минимальную пористость.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второП главе описаны методики исследования, приведены.характеристнки экспериментального оборудования и порошковых материалов.

В качестве характеристик стойкости покрытий к абразивному изнашиванию использовали величину потери массы образцов, отнесенную к плотности материала и единице площади поверхности на 1 метр пути трения дня схемы "палец-диск" и на 1 кг абразива при газоабразивном изнашивании, а также.расчетную величину плотности энергии царапания.

В третьей главе рассмотрены вопросы формирования износостойких покрытий системы №-Сг-В-ТУПС.

В исходных порошках тау-боридного сплава на никелевой основе марки АМРЕЮТ 9930 основной структурной составляющей'исходного сплава является тройной комплексный борид - тау-борид. Состав его описывается формулой №го.зСП+Сг):2,7Вб. Параметр решетки а=1,0524 нм. Остальной расплав представляет собой многофазную эвтектику, в которую, кроме обязательно присутствующих тау-борида и №-тв.р-ра, могут входить ЫЬВ, (И,Сг)В2 и на участках, обогащенных хромом,- СгВ. Микротвердость исходного сплава составляет ' 700... 1100 НУ0.5,

Показано, что в процессе получения композиционных порошков системы ЬЧ-Сг-В-ТЬППС методом механического легирования в результате локального разогрева и пластической деформации значительно повышается дефектность карбида титана по углероду. После одного часа обработки в аттриторе порошков системы №-Сг-В-"ПЛ1С состав карбида изменяется от стехиометрического до "ПСо,? • При этом карбид титана остается несвязанным.

Порошки, полученные' крнгломерированием с использованием органической связки, содержат карбид титана стехиометрического состава. Поэтому для нанесения износостойких покрытий предпочтительно использование последних.

Плазменное напыление в динамическом вакууме (при пониженном давлении) обеспечивает защиту карбида титана от ойклеиия, наблюдаемого при напылении в воздушной атмосфере, что позволяет получать покрытия системы М-Сг-В-ТЧАПС с хорошей когезион-ной связью между частицами карбида титана и материалом матрицы (эвтектика тау-борида и никелевого твердого раствора). Микротвердость границы раздела составляет 1100 НУо,5. Установлено, что то мере увеличения мощности плазменной струи и давления ь камере напыления увеличивается твердость покрытий, прочность сцепления их с основой и возможно повышение производительности напыления (скорости осаждения). Однако при этом происходит термическая диссоциация карбида титана, сопровождающаяся снижением микротвердости частиц карбида и износостойкости покрытий. Добавление к напыляемым материалам чешуек нихрома позволяет избежать разложения 1<арбида титана в высокоэнтальпийных плазменных струях. Это связано с быстрым снижением температуры плазменной струи в

результате испарения нихрома, в то время как ее энтальпия практически не уменьшается. Тем самым удается повысить стойкость покрытий к абразивному изнашиванию в 1,5...2 раза.

С помощью метода математического моделирования решена задача нелинейной оптимизации процесса напыления и определен оптимальный режим нанесения покрытий: 1=715 А, Р=100 мбар, содержание карбида титана - 32 масс.%. Такой режим обеспечивает следующие свойства покрытий: прочность сцепления покрытий с основой - 87 МПа, пористость - 2%, плотность энергии царапания - 42 Дж/мм3. Скорость осаждения покрытий - 80 ы®м/проход.

Результаты сравнительных испытаний разработанных покрытий (оп.) с обычно при-менямыми покрытиями на основе самофлюсующихся сплавов (пром.) приведены в табл.1.

Таблица!

Стойкость газотермических покрытий к абразивному изнашиванию*

Материал Интенсивность изнашивания, мм3/(см2-м)

М-Сг-В-ШПС (оп.) 1;34

ИиСг-В-Б^С (пром.) 2,18

№-Сг-В-81/Сг3С2 (пром.) 2,23

№-Сг-В-8№С (пром.) 2,7

*- схема "палец-диск", давление прижима образцов к абразивной бумаге Р400 - 500 г, содержание карбидов - 35 масс.%.

В четвертой главе приведены результаты получения композиционных покрытий систем А1ШС и Ре/ПС. Исследованы структура и свойства композиционных порошков, полученных методом СВС. Установлено, что в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза формируются округлые зерна карбида титана близкого к стехиометри-ческому состава (TiC0.9g-0.99), равномерно распределенные в объеме каждой частицы. При этом размер карбидных включений увеличивается от О Д..5 мкм при их содержании 50 массовых % до 8..12 мкм при содержании карбидов в композите 95%.

При плазменном напылении таких порошков в воздушной атмосфере не происходит окисления карбида титана. Структура и фазовый состав покрытий аналогичны исходным порошкам. Во всем исследованном диапазоне мощности от 23 до 40 квт не обнаружено термической диссоциации Т1С. В процессе напыления часть металлической составляющей испаряется, приводя к изменению объемного содержания карбида титана в покрытиях.

В системе Al/TiC наилучшие свойства ПН-покрытий (асц - 28...33 МПа, твердость -44..А6 HRA, пористость 3...5%, стойкость покрытий к изнашиванию в потоке частиц Sic размером 0,5-1 мм при скорости потока 80 м/с и угле атаки 30° - 2,57—3,15 мм3/(кг-см2) достигаются при содержании карбида титана в СВС-порошке 50 масс.%, обеспечивающем объемное содержание карбида в покрытии 70...73%. Максимум стойкости к газоабразивному изнашиванию достигается при мощности плазменной струи 30 кВт.

В композиции TW5Q масс.% TiC помимо твердого раствора на основе альфа-железа и карбида титана присутствует незначительное количество цементита, кристаллизующегося главным образом на границе раздела Fe/TiC. Плазменным напылением в воздушнрй атмосфере получены покрытия этой системы с твердостью 50...70 HRA и прочностью сцепления с основой стсц=35...40 Мпа. Высокая твердость исходного материала (-1300 HV05) затрудняет пластическую деформацию частиц порошка при соударении с основой, что при высоком содержании TiC в покрытиях (порядка 80 объемных %) приводит к слабым контактам между единичными частицами и значительной остаточной пористости покрытий (П=8...12%), следствием чего является невысокая стойкость покрытий к газоабразивному изнашиванию 3,5...3,8 мм3/(кг-см2). Очевидно, что снижение пористости и улучшение когезионных связей в покрытии было бы возможно при увеличении содержания металлической составляющей (Fe) в СВС- порошках Fe/TiC. Однако это недопустимо из-за технологических ограничений процесса синтеза (достижения стабильного горения TiC при достаточно высокой температуре, обеспечивающей расплавление металла и формирование композиционной структуры порошков). С другой стороны, стойкость покрытий системы Fe/TiC к газоабразивному изнашиванию можно повысить путем изменения тепловых условий в пятне напыления при формировании покрытий, что послужило причиной исследования возможностей нанесения покрытий методом подводного плазменного напыления.

В пятой главе рассмотрены особенности процесса подводного плазменного напыления и новые возможности нанесения покрытий этим способом.

Сущность метода подводного плазменного напыления заключается в том, что генерируемая в обычном электродуговом газовом плазмотроне плазменная струя истекает ие в атмосферу газов, а в воду, которая заполняет все рабочее пространство между соплом плазмотрона и обрабатываемой поверхностью изделия и образует своеобразную окружающую среду. Вследствие вытеснения воды истекающими из сопла газами и испарения воды вокруг плазменной струи формируется паровой канал. Материал для напыления покрытий вводится в виде порошка или проволоки через анод или сопловую насадку плазмотрона. Ускорение и

нагрев напыляемых частиц осуществляется а плазменной струе внутри парового канале, так что процесс формирования покрытия осуществляется в газовой фазе. Охлаждение напыленных слоев покрытия вокруг пятна напыления осуществляется главным образом водой окружающей среды.

Исследованы особенности газодинамики плазменных струй под водой. Показано, чю а результате уменьшения напорного давления в струе на величину давления водяного столба скорость плвзмы снижается н происходит более быстрое еВ падение с увеличением расстояния от среза сопла плазмотрона по сравнению со струями в воздушной атмосфере. Установлено, что на расстоянии до 30 мм от среза сопла плазмотрона отношение расхода гаюв, участвующих в движении плазменной струи, к расходу плазмообразующсго газг составляет величину 1,00... 1,04, что позволяет рассматривать движение плазмы под водой как канальное. То есть, эжектирование окружающей среды в плазменную струю под водой практически отсутствует.

Вследствие обжатия плазменной струи водой и малых дистанций обработки тепловые потоки от плазменных газов к напыляемой поверхности в 100 н более раз превышают таковые для плазменной обработки в газовых средах. Таким образом, температура в пятне напыления оказывается существенно выше, чем для других газотермических процессов нанесения покрытий.

Проведены расчетные оценки скорости охлаждения покрытпй в воде. В интервале температур напыленного покрытия от 100 до 700°С скорость охлаждения покрытий в воле превышает скорость охлаждения его на воздухе в 300 и более раз. При этом высокие термические напряжения, возникающие в микрообъемах формирующегося покрытия в результате больших градиентов температур, компенсируются уменьшением разницы между напряжениями в отдельных микрообъемах и, следовательно, снижением напряженного состояния покрытия в целом. '

Отмечаются защитные свойства окружающей среды при подводном плазменном напылении. Подчеркивается два аспекта данного вопроса. Первый аспект связан с уменьшением вредного влияния технологичеких факторов процесса на окружающую среду и обслуживающий персонал. ППН не требует специальных коллективных н.индивидуальных средств защиты от пыли, ультрафиолетового излучения и шума, которые обычно сопутствуют всем процессам газотермического напыления, особенно плазменного. Второй аспект касается существования закрытой рабочей зоны, ограниченной паровым каналом вокруг плазменной струн, и имеющей характерный состав газовой среды, определяемый составом плазмообра-зуюншх гаюв.

На примере тау-боридного сплава исследованы возможности получения покрытий ме-' тодом подводного плазменного напыления. Показано, что в процессе снижения дистанции напыления, увеличения расхода порошка и снижения относительной скорости перемещения плазмотрона и осцовы наступает момент, когда покрытие начинает оплавляться. Процесс оплавления сопровождается снижением пористости и увеличением коэффициента использования материала до 0,4...0,6. Однако дальнейшее снижение дистанции напыления приводит к образованию трещин, окислению и разрушению покрытий. Применение пористых сопловых насадок, практ ичсскн не изменяя степени проппавления напыляемого материала, позволяет регулировать тепловой поток от плазменной струи к напыляемой поверхности за счет охлаждения плазменных газов при эжекции воды через поры, а точный контроль дистанции (но силе тока между соплом (сопловой насадкой) плазмотрона и основой при приложении к ним разности потенциалов (заявка на изобретение X» 960065, приоритет от 15 февраля 1996г.))ашжает вероятность образования дефектов в покрщтиях. Отмечается, что метод подводного плазменного напыления позволяет получать тау-боридные покрытия двух типов. Покрытия первого типа, полученные без оплавления, имеют типичную зернистую структуру с пористостью 4... 12%. Структура их аналогична структуре исходного порошка. Микротвердость покрытий из-за высокой пористости невелика (400...700 НУо$). Процесс подводного плазменного напыления по технологиям "коротких дистанций" (в режиме оплавления) с использованием пористых сопловых насадок позволяет формировать из тау-боридного сплава покрытия с пористостью 0,5...2%, микрокристаллической структурой и повышенным содержанием неравновесных фаз. Это обеспечивает повышение твердости до 1100... 1800 Н\о5-Использование охлаждающей струи воды (расходом 4 л/мин), подаваемой в зону наибольшего градиента температур между напыленным покрытием и окружающей средой, позволяет увеличить скорость охлаждения покрытий и приводит к дополнительному измельчению структуры до панокристаллических размеров. п

Подводным плазменным напылением в режиме оплавления получены покрытия системы Те/50%ПС с пористостью (П) 1,5...2%, твердостью 69...82 НЛА и прочностью сцепления с основой 30...35 МПа. Покрытия характеризуются отсутствием окислов и узким диапазоном микротвердостн (1283...1449 НУщ). Особенности процесса напыления обусловили развитие взаимодействия карбида титана с железом с образованием карбидов железа Ре5С2, РезС, РсчС, Ге7С). В результате, состав карбида титана изменяется др Т1Со8>- Тем не менее, высокое качество покрытий обеспечило существенное увеличение стойкости к газоабразивному изнашиванию (табл.2).

Таблица 2 Стойкость покрытий к газоабразивному изнашиванию* *

Материал Метод нанесения Интенсивность изнашивания, ммЧкг-см2)

А1/50% ТЮ (оп.) ПН 2,57

Ре/50% Т1С (оп.) ПН(П=Ю0/.) 3,5

Ре/50% ТЮ (оп.) ППН(П=1,5%) 1,56

ПГ-СР4 (пром.) ПН (11=10%) 3,8

ПГ-СР4 (пром.) ,. наплавка 1,7

** - скорости потока частиц ЭЮ размером 0,5-1 мм -80 м/с, угол атахи- 30°.

В шестой главе представлены технологии плазменного напыления покрытий систем №-Сг-В-Т1ЛПС, А1/Т£С и Ре/ТЮ, на основании которых разработаны технологические процессы нанесения композиционных покрытий на рабочие поверхности ножей ОН 213.00.000 для резки сетки из керамических волокон (ТП N 01171.01720) (БО "Техэнергострой наладка") и лопаток турбин дробеметной камеры модели 42612 (ТП N 01171.01719) (Минский электротехнический завод), в соответствии с которыми в НИИ порошковой металлургии изготовлены детали с покрытиями. Использование покрытий системы ЭД-Сг-В-ТГОС позволяет увеличить срок службы ножей до перезаточкн в 3,5...4,5 раза по сравнению е ножами, изготовленными из стали 5ХНМ. Ресурс работы лопаток с покрытиями системы Ре/ТЮ в 1,3..,1,4 раза выше по сравнению с обычно применяемыми чугунн'ьши.

ВЫВОДЫ

1. Для плазменного напыления попрыгай на детали, подвергающиеся интенсивному абразивному изнашиванию, перспективными материалами аалгются:

композиции на основе никелевого тау-боридного сплава системы №-Сг-В-ТШ1С, рекомендуемые для работы в жестких условиях абразивного изнашивания при высоких внешних силовых давлениях на контакте между абразнвоми поверхностью;

композиции систем Ре/ТЮ и А1/ТЮ, рекомендуемые для защиты деталей от гачопбра-зивного изнашивания. При этом материалы на алюминиевой основе предназначены для нанесения на легкие сплавы.

2. Способы получения композиционных порошков, влияя на состав ТЮ, значительно изменяют свойства покрытий. Установлено, что в процессе механического легирования в результате локального разогрева и пластический деформации повышается дефектность

карбида гитана по углероду. Поэтому для нанесения износостойких покрытий системы Ni-Cr-B-Ti/TiC предпочтительно использование коигломерированных порошковых композиций! полученных с использованием органической связки.

Метод СВС позволяет получать композиционные порошки систем Al/TiC и Fe/TiC, содержащие карбид титана, близкого к стехиометрическому состава. .

3. Изучены структура и свойства плазменных покрытий систем Ni-Cr-B-Ti/TiC, Al/TiC и Fe/TiC. . .

Плазменное напыление в динамическом вакууме обеспечивает защиту карбида титана от окисления, наблюдаемого при напылении в воздушной атмосфере, что позволяет получать покрытия системы Ni-Cr-B-Ti/TiC с хорошей когезионной связью между частицами карбида титана и материалом матрицы. Добавление к напыляемым материалам чешуек нихрома вследствие его испарения в плазменной струе позволяет избежать разложения карбида титана на жестких режимах напыления, при которых достигается высокое качество покрытий. Тем самым удается увеличить стойкость покрытий к абразивному изнашиванию в 1,5...2 раза. Оптимальный режим напыления покрытий (1=715 А, Р—100 мбар при содержании карбида титана - 32 масс.%) позволяет получать покрытия с прочностью сцепления с основой (Оси ) - 87 МПа, пористостью 2% и плотностью энергии царапания 42 Дж/мм3.

Установлено, что особенности структуры полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом композиционных порошков систем Al/TiC и Fe/TiC, содержащих гомогенно распределенные в объеме каждой частицы дисперсные зерна TiC, позволяют избежать окисления и термической диссоциации TiC при плазменном напылении композиционных покрытий в воздушной атмосфере и обеспечивают получение мелкозернистой структуры покрытий с равномерным распределением карбидных включений. В системе Al/TiC наилучшие свойства ПН-покрытин (<тсц - 28...33 МПа. твердость - 44...46 HRA, пористость 3...5%, стойкость покрытий к изнашиванию в потоке частиц SiC размером 0,5...1 мм при скорости потока 80 м/с и угле атаки 30° - 2,57...3,15 мм3/(кгсм2)) достигаются при содержании карбида титана в СВС-порошке 50 масс.%, обеспечивающем объемное содержание карбида в покрытии 70...73%.

Наиболее перспективными с точки зрения стоимости материалов являются покрытия системы Fe/TiC. Однако вследствие высокой твердости материала (~1300 HV05) и невысокого содержания металлической связки плазменное напыление в воздушной атмосфере не обеспечивает достаточно высоких свойств покрытий.

4. Для получения качественных покрытий из дешевых материалов исследованы возможности метода подводного плазменного напыления и его основные особенности.

Установлено, 410 особенности газодинамики плазменных струй под водой обусловлены, главным образом, влиянием давления водяного столба, выражающимся в сильном торможении газов и увеличении стационарного давления плазмы. Плазменная струя практически не эжектирует окружающую среду - воду, вследствие" чего ее химический состав является постоянным и контролируемым, а движение газов следует рассматривать "ак канальное. Вследствие обЗкатия плазменной струи водой и малых дистанций обработки тепловые потоки от плазменных газов к напыляемой поверхности в 100 и более раз превышают таковые для плазменной обработка в газовых средах. Установлено, что в интервале температур покрытия'от 100 до 700°С скорость охлаждения покрытий в воде превышает скорость охлаждения его на воздухе в 300 и более раз. Особенности процесса позволяют формировать микрокристаллическую структуру покрытий с повышенным содержанием неравновесных фаз.

Разработан способ нанесения покрытий методом подводного плазменного напыления в режиме оплавления с применением пористых сопловых насадок и точным контролем дистанции напыления, позволяющий получать металлокерамические покрытия с пористостью менее 2% (заявка на изобретение № 960065, приоритет от 15 феврали 1996г.).

Подводным плазменным напылением получены покрытия системы Fe/50%TiC с пористостью 1,5...2%, твердостью Ö9...82 МПа, прочностью сцепления покрытий с основой 30...35 МПа и стойкостью к газоабразивному изнашиванию 1,56 мм'/(кг шг).

5. Разработаны технологические процессы нанесения композиционных покрытий на рабочие поверхности ножей для резки сетки из керамических волокон (ТП N 01171.01720} и лопаток турбин дробемешой камеры (ТП N 01171.01719), внедренные в НИИ порошконой металлургии. Использование покрытий позволяет увеличить срок службы ножей до перезаточки в 3,5...4,5 раза по сравнению с ножами, изготовленным« из стали 5ХНМ, и повысить ресурс работы лопаток в 1,3...1,4 раза по сравнению с обычно применяемыми чугунными.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Т-Л.Талако, А.А.Верстах. Структурные особенности покрытий, полученных подводным плазменным напылением никелевого тау-боридного сплава // Защитные покрытия при изготовлении деталей машин и их ремонте: Тез. докл. науч.-техи. конф., Минск, 26-27 мая 1992г.-Минск, 1992.-С.43-44.

2. Структура и износостойкость плазменных покрытий системы NiCrBTi-карбид титана / Витязь П.А., Верстак A.A., Талако TJ1. // Новые материалы и технологии в трибологии: Тез. докл. советско-американской конференции с международным участием, Минск, б- 9 октября 1992 г.- Минск: ЦНБ АН PK, 1992.-С.156.

3. Processing and investigation of tauboride-containing NiCrBTi-TiC plasma coalings./P.Vitjaz,A.Verstak,T.Talako,S.Sobolevskiy,E.Lugsheider, PJiokiel, O.Beckschulte, K.Yuschenko.O.Puische // Materials Science and Engineering, 1993.-№А168.-P.61 -66.

4. Новые металл-карбидные покрьгп« из синтезированных порошков для защиты алюминиевых и титановых сплавов ог износа / ПЛ.Витязь, А.Л.Ве^стак, Э.Лукшайдер, Н.Рсмер. З.Штайнхоузер, Ю.С.Борисов, Т.ААзарова, А.В.Беляев, ТЛ.Талако И Порошковая металлургия.- 1995,-Вып. 17.-С. 100-109.

5. Стойкие к абразивному н эрозионному износу покрытия из металл-карбидных ыа-теризлов/П.А.Витязь.А.А.Версг'ак.В.А.Коваль.ТЛ.ТалакоА.Б.Егляев, Т.А.Азарова // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тез. докл. 2 респ. изуч.-техн. ^оцф., Новополоцк , 27-28 апреля 1995г.-Новополоцк, 1995.-С.24-25. *

6. Стойкие к абразивному Износу покрытия из cmrreinpo ванных металл-карбидиых материаиов/П.А.Витяз1ь,Э.31упиайдер,А.А.Верстак)В.А.Коваль,Т.Л.Талако, Т.А.Азарова, А.В.Беляев // Напыление и пскрытия-95: Матер, междун. науч.-техн. конф., Санкт-Петербург, 31 мая-2 июня 1995г.-Санкт-Петербург,1995.-С.17-20.

7. Характеристики износостойкости Al/TiC и Al/SiC газотермических покрытий из композиционных материалов / Витязь П.А., Верстак А.А.,-Талако Т.Л., Э. Лукшайдер, Ю.Л.Борисоп, З.Штайнхоузер // Прогрессивная техника и технология машиностроения: Тез. докл. междун. науч.-техн. конф., Севастополь, 12-15сентября 1995г.-Донецк.: - Дон ГТУ, 1995.-С.41-42.

8. Composite materials for plasma spraying / Vit/az P, Azarova Т., Steinhauser Z., Shmidt C.h., Lugscheider E., Verstak A., Beljaev A., Talako T. // Powder Technology^. Mater, of V-th Baltic Conference, Tallinn, November 7-8, I995.-Tallinn,1995.-C.50-51.

9. Синтезированные металлокарбидные материалы для износостойких плазменных покрытий / ВигязьП.А., Азарова Т.А., Верстак А.А., Ильюшенко А.Ф., Талако T.JI., А.В. Беляев, 3. Штайнхоузер, Б. Вилаге, X. Шмидт II Материалы, технологии, инструмент.-1996,-№2.-С.27.

10. Titanium carbide in wdar-resistant coatings I Vitiaz P .Verstak A., Lugschek'er E.,

i

Azarova T .Talako T.// Thermal Spray: Solutions of Engineering problems.: Proc. of the 9-th. National Thermal Spray Conference, Cincinnati,October 7-11, 1996,-Ohio, 1996.-P. 169-176.

Автор благодарен кандидату технических наук, старшему научному сотруднику А.А. Верстаку за научные консультации в период работы над диссертацией.

.17 ; РЭЗШЕ

ТАЛАКА Таццяна Легнща^на

"Распрацоуха стойюх су грань абраэ^нага зноеу пллмекнш пакрыццяу з харбщам титану у вкасш цвердай фазы"

Ключавьи слови: абраз^нае зношванне, плазмепнае напиленне, кампазщыйныя пакрыцид, карб!д титану (Т:С), стэх:яметрычны састар, структура, зносастойкасць.

Прыведзены рэзультаты тэарэтычных 1 экспериментальных даследаванняу, на базе яюх распрацаваны перспектыуныя кампазщыйныя пакрыцщ з карбщам тытану для аховы дэталяу ад шгэнЫунага абраз1унага зношвання.

Упершыню на аснове анализу составу карбцу тьпану I структуры даследуемых матэрыялау, вьгаучаны працэсы плазменнага напыления кампазщыЯкых пакрыццяу.

Сфармуляваны асно}ныя патрабавашн да структуры пакрыццяу, працуючых ва Умовах мжрарэзання 1 газаабразфнага злошвглня.

Для аховы дэталяу ад жорсткага абраз^цага зношвалня, якое характарызуецца высск1м знешшм сшавым щекам на кантакце пам'1х абраз^ам I пааерхняй, прапанаваны кампазщыйныя пакрыцщ Ыртэмы К1-Сг-В-'ГЬТ1С.

Для работы аа умовах газаабразфнага зношпапня распрацаваны пакрыша Ыстэм РеЛК 1А1ЛПС.

Праланаваны спосабы аховы карб1ду тытану ад тэрм1'члай дысацыяцьн при напылевш, якш забяспечваюць павел1чэнне егойкасш пакрыццяу супрадь абраз|унага зношваиня у 1,5-2 разы. '

Вызначаны асаблшасш метаду падводнага плазменнага напыления. Даследаваны асабл(васш газадынамш плазменных струменяу пад вадой, цеплавых працзсау у пляме напыления! структураутварэння пры падводным плазменным непыленш.

Распрацаваны спосаб падводнага плазменнага напыления пакрыццяу' у рэжыме аплаулення з выкарыстаннем порыстай сахшовай насади, як! дазваляе атрымлтапь металакерам1чныя пакрыцц! з порыстасцю менш за 2%.

Сукупнасць атрыманых даных дазволша распрацаваць пакрыцш з павышанай стойкасцю супраць абраз!>'нага зношвания.

. 18- . РЕЗШЕ

ТАЛАКО Татьяна Леонидовна

"Разработка стойких к абразивному изнашиванию плазменных покрытий, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана"

Ключевые слова: абразивное изнашивание, плазменное напыление, композиционные покрытия, карбид титача (TiC), стехиометрический состав, структура, износостойкость.

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, на базе которых разработаны перспективные TiC-содержащяе композиционные плазменные покрытия для зашиты деталей от интенсивного абразивного изнашивания.

Впервые на основе анализа состава карбида титана и структуры исследуемых материалов изучены процессы плазменного напыления композиционных TiC-содержащих покрытий.

Сформулированы основные требования к структуре покрытий, работающих в условиях микрорезания и газоабразивного- изнашивания.

Для защиты деталей .от жесткого абразивного изнашивания, характеризующегося высоким внешним силовым давлением на контакте между абразивом и поверхностью, разработаны покрытия системы Ni-Ct-B-Ti/TiC.

Для работы в условиях газоабразивного изнашивания разработаны покрытия систем Fe/TiC и Al/TiC.

Предложены способы защиты карбида титана от термического разложения при напылении, обеспечивающие повышение стойкости покрытий к абразивному изнашиванию в 1,5-2 раза.

Определены особенности метода подводного плазменного напыления. Исследованы особенности газодинамики плазменных струй под водой, тепловых процессов в пятне напыления и структурообразованйя при подводном плазменном напылении.

Разработан способ нанесения покрытий методом подводного плазменного напыления в режиме оплавления с применением пористых сопловых насадок, позволяющий получать металлокерамическне покрытия с пористостью менее 2%.

Совокупность полученных данных позволила разработан, покрытия с повышенной стоГжостью к абразивному изнашиванию.

SUMMARY

TALAKOTatiana

'Development of abrasive wear-resistant plasma coatings containing Titanium Carbide as a hard phase"

Key words', abrasion, plasma spraying, composite coatings, Titanium Carbide (TiC), stoichiometric composition, structure, wear resistance.

The results of theoretical and experimental investigations are presented, based on which the

promising TiC-containing coatings for protection machine parts against intensivo abrasion have been developed.

For the first time, plasma spraying techniques based on analysis of titanium carbide composition and material structure have been studied.

The main structure requirements to the coatings working under conditions of microcutting and erosion have been formulated.

For protection machine parts against hard abrasion characterised by the high external force pressure at abrasive/surface contact the composite coatings pf Ni-Cr-B-Ti/TiC system have been developed.

For operation against erosion Fe/TiC and Al/TiC coatings have been developed.

The methods of titanium carbide protection against thermal decomposition during spraying leading to 1,5-2 fold wear resistance increase have been.proposed.

The characteristic feature of Underwater Plasma Spraying (UPS) have been defined. Plasma jet gasedynamic under water, thermal processes in the spraying spot as well as structure formation peculiarties have been estimated.

UPS -Technique with remelting using porouz nozzle has been developed. It enables the high quality metal-ceramic coatings with porosity less than 2% to be produced.

The data obtained have made possible to develop plasma coatings with high resistance against abrasion.