автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка технологии модификации электроплазменных функциональных покрытий на титане и его конструкционных сплавах путем микродугового оксидирования

гл с-с • ц , о а .

На правах рукописи

Кошуро Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТИТАНЕ И ЕГО КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВАХ ПУТЕМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2014

005558675

005558675

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Лясникова Александра Владимировна

Официальные оппоненты: Аникин Анатолии Афанасьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», профессор кафедры «Технология машиностроения и конструкционных материалов»

Захаревич Андрей Михайлович,

кандидат физико-математических наук, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского», заведующий лабораторией диагностики наноматериалов и структур

Ведущая организация: ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов

Защита состоится «30» декабря 2014 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А» и на сайте www.sstu.ru.

Автореферат разослан « & » 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета - Е.Е. Миргородская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В качестве материалов для изготовления элементов газозапорной арматуры, датчиков широкое распространение получают титановые сплавы. Отличительными чертами изделий из титана являются высокая надежность, коррозионная стойкость, склонность к контактному схватыванию при трении и низкая износостойкость. Существует ряд методов повышения износостойкости и антифрикционных свойств титановых сплавов: диффузионное упрочнение поверхностей деталей, осуществляемое путем насыщения поверхностного слоя кислородом, азотом, бором, углеродом, кремнием; нанесение износостойких материалов газотермическими методами напыления; оксидирование изделий.

Широкое распространение в приборостроении и машиностроении приобрело электроплазменное напыление, отличающееся от других газотермических методов нанесения покрытий, возможностью использования плазменной струи, в потоке которой частицы напыляемого материала химически не разлагаются и не испаряются при высоких температурах. Существенными недостатками технологии ЭПН являются: низкая плотность, неоднородность структуры и фазового состава напыленного материала. Данные недостатки обусловливают низкие значения адгезионной и когезионной прочностей, выражающиеся в отсланвании материала после нанесения и в процессе эксплуатации изделия.

Одним из новых и перспективных методов формирования оксидных покрытий на вентильных металлах (Ti, Nb, Та, Al, Zr, Hf, W, Bi, Sb, Be, Mg) является микродуговое оксидирование. Отличительной чертой технологии микродугового оксидирования является наличие множества микродуговых разрядов в среде электролита, пробивающих формируемую оксидную пленку, вызывающих ее плавление, перекристаллизацию, что позволяет получать однородное по фазовому составу покрытие с заданными значениями механических характеристик. Основным недостатком данной технологии, применяемой для получения нзносо- и коррозионностойких покрытий на титановых сплавах является продолжительность процесса (от 90 до 150 минут).

В настоящее время интенсивно ведутся работы по повышению механических свойств электроплазменных напыленных покрытий на основе А120з последующей обработкой: высокоэнергетнческим воздействием концентрированными потоками энергии; управляемой интенсивной пластической деформацией и другими технологически сложными методами, не обеспечивающими высокие показатели механических свойств. Поэтому работы по повышению адгезии, когезии и микротвердости покрытий полученных ЭПН оксида алюминия, путем проведения последующего микродугового оксидирования, являются актуальными.

Цель работы: разработать технологию модификации электроплазменных напыленных покрытий на титановых сплавах,

обеспечивающую повышение микротвердости и адгезионно-когезионной прочности покрытия, путем физического воздействия на материал покрытия.

Объекты исследования: образцы из сплава титана ВТ16 с покрытиями, сформированными электроплазменным напылением оксида алюминия, с последующим микродуговым оксидированием.

Предмет исследования: технологические режимы микродугового оксидирования, обеспечивающие изменение химического состава, фазово-структурного состояния и основных механических свойств покрытий.

Задачи работы:

1. Провести анализ теоретических основ и технологических особенностей процессов формирования покрытий ЭПН и МДО, а также методов улучшения характеристик электроплазменных покрытий.

2. Разработать физическую модель, позволяющую оценить влияние технологических режимов ЭПН и последующего МДО на структуру и механические свойства формируемого оксидного покрытия.

3. Исследовать влияние параметров ЭПН и последующего МДО на структуру, фазовый состав и механические свойства покрытий на изделиях из титановых сплавов.

4. Определить технологические режимы ЭПН и последующего МДО, обеспечивающие формирование оксидных покрытий с низкой пористостью, высокими показателями микротвердости и адгезионно-когезионной прочности.

5. Разработать конструктивно-технологические рекомендации по модификации электроплазменных покрытий проведением МДО.

Методика исследований.

В работе использованы основные положения теории ЭПН и МДО. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием ультразвуковой ванны УЗВ2-0,16/37, установок электроплазменного напыления У ПН 28 и микродугового оксидирования МДО-1. Статистическая обработка и аппроксимация экспериментальных данных проводилась с использованием программного пакета DataFit 9. Свойства покрытий изучались методами оптической микроскопии на металлографических микроскопах МИМ-8 и АГПМ-6М с использованием цифрового фотоаппарата Samsung ES95, энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) и растровой электронной микроскопией (РЭМ) на электронном микроскопе MIRA II LMU, рентгенофазового анализа (РФА) на рентгеновском дифрактометре Xcalibur/Gemini А, при использовании рентгеновской трубки с медным анодом (Си -Ка излучение), измерения микротвердости на микротвердомере HVS-1000В с видеоизмерительной системой SP-5, склерометрии с последующим расчетом адгезионно-когезионной прочности покрытий.

Научная новизна:

1. Разработана физическая модель процесса получения покрытия электроплазменным напылением оксида алюминия с последующим микродуговым оксидированием, учитывающая средние линейные размеры пор

напыленного покрытия, а также ток микродугового разряда, позволяющая обосновать механизмы повышения механических свойств покрытий.

2. Установлены закономерности влияния тока электрической дуги и дистанции напыления оксида алюминия, а также плотности тока при последующем микродуговом оксидировании на структуру, толщину, пористость и микротвердость покрытий.

3. Обоснованы рациональные технологические режимы электроплазменного напыления и микродугового оксидирования, обеспечивающие формирование покрытий с высокими показателями микротвердости и адгезионно-когезионной прочности.

Практическая значимость результатов работы:

1. Установлена возможность улучшения характеристик покрытий, полученных электроплазменным напылением оксида алюминия на изделия из титановых сплавов путем последующего микродугового оксидирования.

2. Определены технологические режимы: при электроплазменном напыление оксида алюминия - ток дуги от 350 до 450 А, напряжение 30±4 В, дистанция напыления 0.13 м, средний линейный размер напыляемого порошка (50 ... 100)х10"Л м; при последующем проведении микродугового оксидирования - плотность тока (2 ... 3) х103 А/м2, время оксидирования 20±1 мин, щелочная среда на основе гидроксида натрия с концентрацией 2 ... 3 г/л, позволяющие повысить характеристики электроплазменных напыленных покрытий: микротвердость от НУ 1017 до НУ 1600, адгезионно-когезионную прочность от 24.8 до 56 МПа и снизить открытую пористость с 50 до 12 %.

3. Результаты работы могут быть использованы в машино- и приборостроении при изготовлении изделий из титана и его сплавов, работающих в сложных условиях механических нагрузок, изнашивания, а также студентами 4 и 5 курсов Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. и других вузов при изучении учебных дисциплин, связанных с технологическими методами формирования покрытий.

4. Материалы диссертационный работы приняты к использованию на предприятиях: ПКФ «Экс-форм», ООО НПП НИКА-СВЧ.

Положения и результаты, выносимые на защиту: 1. Физическая модель, основанная на уравнениях джоулева тепла и закона Бойля-Мариотта, которая позволяет установить величину физического воздействия на формируемое покрытие в зависимости от технологических режимов электроплазменного напыления и последующего микродугового оксидирования, обеспечивающую повышение механических свойств электроплазменных покрытий.

2. Применение технологической операции микродугового оксидирования после процесса электроплазменного напыления оксида алюминия позволяет изменять структуру и состав покрытия, тем самым, в зависимости от технологических режимов, повысить микротвердостыо от НУ 1017 до НУ 1600, адгезионно-когезионную прочность с 24.8 до 56 МПа, и снизить открытую пористость с 50 до 12 %

3. Технологический процесс модификации покрытий, полученных электроплазменным напылением оксида алюминия на основу из титанового сплава ВТ16, путем проведения технологической операции микродугового оксидирования, состоящий из следующих этапов: очистки изделий в ультразвуковой ванне с последующей сушкой на воздухе или в сушильном шкафу; электроплазменного напыления порошка оксида алюминия со средним линейным размером (50 ... 100)х10'6 м, при токе дуги от 350 до 450 А, напряжении 30±4 В, с дистанции напыления 0.13 м; обезжиривания изделий путем промывки в ацетоне или растворе этилового спирта; промывки в дистиллированной воде; микродугового оксидирования изделий при плотности тока (2 ... 3) хЮ3 А/м2, в течение 20±1 мин; промывание изделий в дистиллированной воде.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием комплекса современного, сертифицированного аналитического оборудования, и подтверждается совпадением в частных случаях результатов экспериментальных данных, полученных автором, с результатами других авторов.

Апробация результатов работы. Основные материалы диссертации были представлены на Всероссийской молодежной конференции «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии» (Саратов, СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2012), Международной молодежной научной школе «Современные биоинженерные и ядерно-физические технологии в медицине» (Саратов, СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2012), Всероссийской молодежной научной школе «Современные инновационные проекты в стоматологии» (Саратов СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2012), Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные вопросы биомедицинской инженерии» (Саратов СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2013), 12-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции (Саратов, СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2013), Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий» (Саратов, СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2013), 12-я Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, MATH - РГТУ имени К.Э. Циолковского, 2013), X mezinarodni vedccko-prakticka konference «Moderni vymozenosti vödy - 2014» (Praha, 2013), III Международной заочной научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников (Саратов, СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2014), II Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития научного знания в XXI веке» (Тамбов, ТГУ им. Державина Г.А. 2014), Международной научно-технической конференции «Молодые ученые основа будущего машиностроения и строительства» (Курск, Юго-Западный Государственный университет, 2014).

Личный вклад автора заключается в планировании и проведении теоретических и экспериментальных исследований, систематизации полученных данных, формулировки выводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 3 работы в журналах из списка, рекомендованного ВАК Минобрнауки РФ, 1 работа в журнале, входящем в библиографические и реферативные базы данных Scopus и Web of Science, и 14 работ в других изданиях.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «УМНИК».

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, списка использованной литературы из 138 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 119 страниц и включает 26 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение характеризует актуальность диссертации, цель, задачи и научную новизну, положения и результаты, выносимые на защиту, практическую значимость результатов работы и ее апробацию.

Глава 1 посвящена литературному обзору и анализу теоретических и технологических особенностей протекания процессов электроплазменного напыления (ЭПН) и микродугового оксидирования (МДО), а также методов модификации электроплазменных напыленных покрытий. По итогам обзора сформулирована гипотеза о возможности модификации электроплазменных напыленных покрытий путем проведения МДО.

Глава 2 посвящена планированию эксперимента и общей методике исследования, которая характеризует основные применяемые методы экспериментальных исследований.

В Главе 3 разработана физическая модель процесса модификации электроплазменного оксидного напыленного покрытия последующим микродуговым оксидированием и проведена оценка количества тепла, выделяемого в процессе возникновения микродугового разряда; давления паро-плазменного образования.

В процессе электроплазменного напыления (рис. 1 а) покрытие формируется путем последовательной укладки множества деформирующихся частиц, между которыми появляются дефекты и полости (рис. 1 б, в).

Dn

Порошкобый Гш материал

а о в г

Рис. 1. Схема процесса ЭПН оксида алюминия (а), структура (б), морфология (в) покрытия, абстрактное представление поры в виде цилиндра (г), где: 1 - металл основы; 2 - дефекты покрытия; 3 - напыленные частицы оксида алюминия; Д,-диаметр поры,- Н„ - высота поры

Рис. 2 Морфология электроплазменного напыленного оксида алюминия: I - трещины в покрытии, 2 - поры

Для упрощения процесса моделирования дефекты покрытия представляют в виде абстрактной геометрической фигуры (рис. I в, г). Согласно результатам предварительных исследований в покрытии, сформированном ЭПН оксида алюминия на основу из титанового сплава ВТ]6, имеются сквозные и глухие поры округлой формы диаметром (2-10)х10~ м (рис. 2), а толщина покрытия изменяется от 15 до 50x10"6 м. Средний диаметр пор Д, принимается равным 6x10'в м, высота цилиндра //,, приравнивается к средней толщине покрытия, равной 32x10-6 м.

Согласно представлениям о технологии МДО (рис. 3) процесс модификации электроплазменного напыленного оксидного покрытия будет происходить в несколько стадий (рис. 4). Первоначально на дне сквозных Рис.3 Схема процесса МДО пор будет формироваться аморфная пленка из оксида титана (рис. 4.а), за счет нагрева из жидкого электрода образуется парогазовый пузырь (рис. 4. б), состоящий из молекул и ионов. Паровой пузырь пробивается электрическим разрядом и, вследствие разогрева, пароплазменное образование начинает расширяться. При этом жидкий катод перемещается вдоль стенок поры в сторону устья поры (рис. 4. в).

/

в

& й 6

© 6

Рис. 4. Стадии процесса модификации покрытия полученного ЭПН оксида алюминия с последующим МДО: 1 - щелочная среда; 2 - дефекты в структуре покрытия (поры); 3 - частицы плазмонапыленного АЬОд; 4 - оксид материала основы; 5 - материал основы; 6 - пароплазменное образование; 7 - физическое воздействие на покрытие; 8 - расплав материалов основы и покрытия

При выходе за пределы поры пузырь расширяется, эмиссия электронов с его поверхности прекращается и разряд гаснет, начинаются процессы кристаллизации расплава материалов основы и плазмонапыленного покрытия (рис. 4. г).

Тепло Q (Дж), выделяемое в процессе возникновения разряда в поре электроплазменного напыленного покрытия:

Ö= IJRt, (1)

где: /„ - ток микродугового разряда, /,, -35-103 А; г- время жизни микроразрядов, г~ 10 — 170 10"fi с ; R, = р>, H„/S = 36.23-10 , Ом;

где: р3 - удельное сопротивление, р3 = 32- Ю"3 Омхм;

S„ - площадь поры согласно абстрактным представлениям, равная 28.26-10"12 м2.

При возникновении микроразряда выделяется тепло Q = 40Т0"4 Дж, с учетом удельной теплоты плавления 1.07 кДж/кг и плотности а - А120:(, равной 3990 кг/м\ достаточное для расплава электрокорунда массой 3.7-10"6 кг и объемом 0.93-10"4 м\ Объем расплавляемого материала сопоставим с объемом поры и размерами структурных элементов плазменного напыленного покрытия.

После угасания микродуги плазменное образование из-за избыточного давления продолжает расширяться, образуя у поверхности покрытия пузырь. Расширение пузыря прекращается, когда давление в нем становится равным по величине суммарному давлению атмосферы и столба электролита. Тогда согласно закону Бойля-Мариотта давление пароплазменного образования в поре Pi (Па) можно оценить из соотношения:

Р, = Р2 ■ V/Vy, (2)

где: Pi - давление паро-плазменного образования в поре, Па;

Р2 - давление паро-плазменного образования в момент схлопывания, равное

суммарному давлению атмосферы и столба жидкого катода, Па;

Vi- объем пароплазменного образования в поре, равный объему поры, м\

V2- объем пароплазменного образования в момент схлопывания, м .

V2 имеет величину V2- Vi+ '/2 V,uap, м3.

Согласно абстрактному упрощению формы поры до цилиндра с D„ -6х10"6 м и высотой //„ = 32х10"6 м, объем поры будет равен: V, = 7Г Н„ D„2/4 = (3.14 -32-36- Wl2)/4 = 904.3-10м3 Согласно литературным данным, при выходе за пределы поры верхняя часть пароплазменного пузыря имеет вид полусферы с диаметром d~ 50 10"6 м. Следовательно, объем V2 имеет величину V2- V/+ '/2 Vuiap = Vj+ (к d3)/3 = 904.3-10 '" + 130833.3-10 '*= 131737.6 ■ 10 '8 м3.

Суммарное давление атмосферы и столба электролита (глубина погружения деталей при МДО) высотой 0.02 м составит величина Р2 = 101325+196.1 = 101521.1 Па.

Следовательно, давление в поре в момент затухания разряда достигает величины

Р, = 101521.1 -(131737.6- 1018/904.3-104,)= 14.8-106Па= 14.8 МПа.

С учетом воздействия температуры и давления, действующих при возникновении и последующем расширении паро-плазменного образования в процессе МДО, а также кавитационных явлений, возникающих при схлопывании данного образования, возможны следующие изменения покрытия, сформированного ЭПН оксида алюминия:

•оплавляются и переплавляются материалы покрытия и основы;

• в составе покрытия появляются фазы оксидов титана;

• под действием большого избыточного давления расплавленный материал со стенок канала разряда будет вливаться в поры, открытые в канал разряда, вызывая плавление частиц, составляющих стенки поры и уплотнение покрытия.

Глава 4 посвящена проведению экспериментальных исследований структурных параметров, элементно-фазового состава, микротвердости и адгезионно-когезионной прочности оксидных покрытий сформированных на образцах из конструкционного титанового сплава ВТ 16 ЭПН порошка ДЬ03 с последующим проведением процесса МДО.

Морфология сформированного ЭПН материала является гетерогенной -покрытие состоит из деформированных частиц, равномерно распределенных по поверхности основы (рис. 5). Имеются дефекты в виде пор и трещин.

а 6

Рис. 5. РЭМ-изображение поверхности электроплазменного покрытия, серия 4: а - увеличение х! ООО; б - увеличение х5000 После модификации поверхность покрытия оплавлена, имеются каналы микродуговых разрядов (рис. 6).

а б в

Рис. 6. РЭМ-изображение поверхности электроплазменного покрытия модифицированного при различных плотностях тока согласно плану эксперимента: а)-серия 8, 1=450 А, Ь = 0.13м,) = 1x10* А/м2; б) - серия 12,1=450 А, Ь = 0,13м,) = 2x103 А/м2; в) - серия 16,1=450 А, Ь = 0.13 м,} = Зх !& А/м2;

При максимальных значениях технологических параметров: тока дуги (1=450 А), дистанции напыления (Ь = 0.13 м) и плотности тока (/' = 3x103 А/м2) поверхность покрытия полностью оплавлена, количество и линейные размеры трещин и пор минимальны.

Пористость покрытий характеризуется количеством микропор. Анализ фотографий поверхности покрытий дает возможность сравнить их параметры суммарной пористости. Результаты измерения пористости приведены в табл. 1.

Таблица 1. Пористость покрытий, полученных методами ЭПН и ЭПН с последующим МДО

Метод нанесения покрытия

№ серии Электроплазменное напыление оксида алюминия Микродуговое оксидирование Пористость, %

Ток Дуги, А Дистанция напыления, м Плотность тока, А/м2 Средняя участка №1 Средняя участка №2 Средняя участка №3 Средняя по образцу

1 350 0.09 - 46 50 55 50.3

2 450 - 44 45 50 46.3

3 350 0.13 - 45 50 54 49.7

4 450 - 50 40 45 45

5 350 0.09 25 20 24 23

6 450 1 х 103 18 15 16 16.3

7 350 0.13 10 15 14 13

8 450 10 13 14 12.3

9 350 0.09 12 10 9 10.3

10 450 8 11 10 9.7

11 350 0.13 11 18 15 14.6

12 450 И 17 14 14

13 350 0.09 18 15 16 16.3

14 450 Зх.103 12 15 14 13.7

15 350 0.13 14 10 13 12.3

16 450 10 12 10 10.7

Пористость электроплазменного покрытия в большей степени зависит от тока дуги /: при уменьшении тока дуги - пористость увеличивается, при увеличении - уменьшается (рис.7 а). После модификации покрытий пористость заметно снижается, в зависимости от технологических режимов МДО на величину от 27 до 37% (табл. 1). У покрытий, полученных ЭПН и последующим МДО, пористость зависит от плотности тока у (рис. 7 б, в): минимальную пористость имеют покрытия, полученные при у = 2000 А/м", максимальную при у = 1000 А/м*.

В ••

к:

'I'

.-И'1

а

а б в

Рис. 7. Эмпирические зависимости величины пористости {р, %) электроплазменных напыленных покрытий (а) и с последующей модификацией (б, в) от технологических режимов: а) -тока дуги /, А и дистанции напыления и м (р = 152.8-17.24-1п(1)+0.51-1п(1), %); б) - тока дуги Г, А и плотности токау, А/м2 (р =33.92-2.17-1-1.16- }+2.54-/, %); дистанции напыления ¿, м и плотности тока/, А/м2 (р =12.81-5.59-1п(1)-0.011бу+2.54-10'6-/, %) Структура покрытия, сформированного методом ЭПН, состоит из оплавленных и спеченных частиц порошкового материала, часть из которых имеет почти правильную сферическую форму, между которыми различимы пустоты, т.е. закрытые поры (рис. 8 а).

а б в г

Рис. 8. Микроструктура электроплазменного покрытия (а) (серия 3) с последующей модификацией при различных плотностях тока: б) - серия 7, у = 1 х 101 А/м2; в) - серия 11,_/ = 2x10 А/м2; г)-серия 15,у = 1 х 101 А/м2(ширина кадра 145 мкм) После МДО образцов с покрытием, предварительно сформированным ЭПН А1203, структура изменяется (рис. 8 б, в, г): отсутствуют отдельные крупные частицы ЭПН оксида алюминия, уменьшаются размеры частиц напыленного метериала, а также пор и пустот. При плотности тока]= 1...2х103 А/м2 в структуре покрытия (рис. 8 б, в) наблюдаются металлические включения, образованные за счет выброса материала основы в канал микродугового разряда. При большей плотности тока выбросы металла основы преобразовываются в оксиды титана.

Толщина электроплазменного напыленного оксидного покрытия зависит от технологических режимов ЭПН (табл. 2). В процессе модификации толщина покрытия уменьшается (табл. 2) за счет его уплотнения под физическим воздействием паро-плазменного образования. Эмпирические зависимости толщины электроплазменных напыленных покрытий (Нэпн, м) с последующей модификацией (//„ , м) от технологических режимов: тока дуги /, А и дистанции напыления, НЭПн =0.145x0.99^ хи0215,

м;

толщины

электроплазменного напыленного покрытия НЭпн, м и плотности тока у, А/м2 при последующем МДО, Я „ = 1.4-КУ4- 8.88Нзпн+2.79-1 ()*■]+137090.48-НЗП1,2-3.99-10,2-}2-2.72-10-4-Нэпн-],м.

Таблица 2. Толщина покрытий, полученных ЭПН оксида алюминия и ЭПН с последующим ___МДО_

Метод нанесения покрытия

№ Элекгроплазменное напыление оксида алюминия Микродуговое оксидирование Толщина покрытия

серии Ток дуги, А Дистанция напыления, м Плотность тока, А/м" Средняя на участке 1, х 10"6 м Средняя на участке 2,х10"6м Средняя на участке 3, х10"6м Средняя по образцу, х 10"6 м

1 350 0.09 - 24.94 96.96 17.88 46.6

2 450 - 45.92 19.45 14.81 26.7

3 350 0.13 - 11.99 35.56 35.39 27.7

4 450 - 64.06 41.71 19.41 41.7

5 350 0.09 23.77 32.31 34.39 30.2

6 450 1х103 18.66 37.09 12.15 22.6

7 350 0.13 16.55 19.76 9.5 15.3

8 450 21.52 21.57 26.04 23

9 350 0.09 51.10 46.58 44.56 47.4

10 450 2x103 20.09 15.05 26.04 20.4

11 350 0.13 25.25 21.92 17.86 21,7

12 450 19.29 24.24 36.29 26,6

13 350 0.09 23.27 34.01 38.71 32

14 450 3x103 21.10 24.92 33.12 26.4

15 350 0.13 26.98 21.85 45.18 31.3

16 450 13.74 21.8 22.93 19.5

Проведенный поточечный э нергодисперскониый

рентгенофлуоресцентчый анализ показал, что после проведения процесса МДО в составе покрытия появляются следующие элементы Иа, Т1 и V в различном процентном соотношении.

Наличие Т1 и V, входящих в состав сплава ВТ 16 подтверждает разработанную физическую модель, а именно выброс расплава материалов основы и напыленного оксидного слоя на поверхность покрытия. Концентрации натрия и кремния в составе покрытий не превышают 6% и 3%, соответственно. Согласно физической модели проведения процесса МДО после ЭПН оксида алюминия, Иа и могут входить в состав покрытия.

Рентгеноструктурный фазовый анализ, проведенный с учетом результатов ЭРДФА образцов с покрытиями, полученными ЭПН оксида алюминия и ЭПН корунда с последующим МДО, позволил получить их днфрактограммы с пиками определенных фазовых составляющих. Фазовых превращений оксида алюминия в результате ЭПН, и после МДО не обнаружено. В результате ЭПН А12Од на титановую основу, и как следствие ее

нагрева, формируется оксидная пленка. После процесса МДО на дифрактограммах образцов появляются характерные пики анатаза и рутила.

Микротвердость электроплазменных напыленных и модифицированных покрытий находится в определенной зависимости от тока дуги /, дистанции напыления Ь и плотности тока] (табл. 3, рис. 9).

Рис. 9. Эмпирические зависимости величины микротвердости (/г) электроплазменных напыленных покрытий (а) и с последующей модификацией (б, в) от технологических режимов: а) -тока дуги I, А и дистанции напыления Ь, м (Ин\> = 1412.175+0.2791-66.07/Ц\ б) - тока дуги I, А н плотности тока А7м2 (ИНУ =127.831.002 '■?")■, дистанции напыления Ь, м и плотности тока}, А/м2(Ину =1367.65-(75.41/Ц+0.32]-5.74-10~5-/) Значение микротвердости для покрытия сформированного ЭПН оксида алюминя зависит от величины тока дуги I и дистанции напыления Ь - при увеличении данных параметров твердость возрастает (табл.3).

№ серии Метод нанесения покрытия Микротвердость, HV Среднее значение микротвердос ти, HV

Электроплазменное напыление оксида алюминия Микродуговое оксидирование

Ток дуги, А Дистанция напыления, м Плотность тока, А/м2

I 350 0.09 - 400; 500; 587; 1373; 940 760

2 450 - 932; 1005; 540; 907; 712 819

3 350 0.13 - 1329; 1234; 1000; 623; 900 1017

4 450 - 919; 1615; 1273; 647;615 1013

5 350 0.09 1 х I О3 999; 785; 460; 1193; 760 839

6 450 576: 751; 809; 1554; 1274 992

7 350 0.13 1016; 693;955; 780:888 866

8 450 675; 908; 614;1258;1541 1000

9 350 0.09 2x103 695; 740; 628; 1027; 1220; 862

10 450 755; 1006; 1000;1278;958 1000

11 350 0.13 740; 684; 1534; 1263; 1447 1134

¡2 450 1469; 1300; 1300; 1262; 1200 1306

13 350 0.09 Зх! О3 914; 825; 975; 923; 737 875

14 450 938; 738; 1179: 642;904 880

15 350 0.13 1178; 1059; 654; 1535; 829 1051

16 450 1485; 1723; 961; 2317; 1709 1639

После модифицирования покрытия путем проведения МДО, величина микротвердости возрастала с увеличением плотности тока у. Максимальную микротвердость (от НУ 1051 до НУ 1639) имели покрытия, полученные ЭПН порошка оксида алюминия с дистанции 0.13 м, при токе дуги от 350 до 450 А, и плотности тока, при последующем МДО, у от 2 до 3x103 А/м2. Увеличение микротвердости в результате модификации электроплазменных напыленных покрытий происходило за счет изменения фазового состава формируемого оксидного слоя (заполнения пор расплавом материалов покрытия и основы) и структуры - уменьшения количества и линейных размеров дефектов под физическим воздействием пароплазменных образований в процессе МДО.

Адгезионно-когезионную прочность (стойкость к царапанию) тонких, твердых покрытий, обладающих высокой твердостью, хрупкостью и малой толщиной определяют методом царапания (скретч-тестирования). В процессе скретч-тестирования производится царапание покрытия индентором и фиксируются следующие показателя сила трения, коэффициент трения, сила давления индентором. Согласно результатам скретч-тестирования (рис. 10 и 11) были рассчитана адгезионно-когезионная прочность покрытий, полученных ЭПН оксида алюминия и ЭПН с последующей модификацией МДО.

Линейный скре*ч-т<?ст

/

/" л г

'г А V »

Натру на на индетор. Н Ста трения. Н Коэффшшент трения Глубина царапины. мкы

Длина иарашшь!. мм

Рис. 10. Диаграмма скретч-тестирования электроплазменного напыленного покрытия (серия 4)

,'1нн< йныа скретч-те

с 0 5 I 16 ; 2 5

Д-ниа цгцмпины, им

Рис. 11. Результаты скретч-тестирования покрытия полученного ЭПН с последующим МДО

(серия 16)

Согласно проведенным расчетам, адгезионно-когезионная прочность электроплазменного напыленного покрытия составляет 24.8 МПа, а модифицированного покрытия - 56 МПа.

В главе 5 разработаны конструктивно-технологические рекомендации для проведения процессов формирования и модификации покрытий ЭПН и МДО:

1. Перед формированием покрытий методами ЭПН и МДО изделия из конструкционных сплавов титана необходимо подвергать очистке от загрязнений.

2. В конструкции изделий с покрытием, сформированным ЭПН оксида алюминия для последующего проведения процесса МДО, необходимо предусмотреть крепежное отверстие.

3. При последующем после ЭПН процессе МДО оксидное покрытие модифицируется на всей поверхности изделия, контактирующей с электролитом. Участки поверхности, где согласно техническим требования не должна формироваться оксидная пленка необходимо изолировать масками, изготовленными из фторопласта.

4. После проведения МДО изделия необходимо промыть в дистиллированной воде.

5. Для формирования покрытий, состоящих из смеси оксидов титана и алюминия с высокими механическими свойствами на изделиях из конструкционных сплавов титана, следует при при ЭПН порошка оксида алюминия произвольной формы со средним линейным размером (50... 100)х 10ь м, использовать следующие технологические режимы: ток дуги /=350...450 А, дистанция напыления ¿=0.13 м. Последующее после напыления МДО следует проводить при плотности тока у величиной от 2000 до 3000 А/м2 в течение 20 ±1 минут.

6. Технологический процесс формирования оксидного покрытия на изделиях из титанового сплава методом ЭПН и последующей модификацией МДО должен содержать следующие операции (рис. 12): очистки изделий; ЭПН порошка оксида алюминия; обезжиривания изделий; МДО; промывки изделий в дистиллированной воде.

| Изготовление основ изделий |—^ Операции подготовки поверхности изделий перед ЭПН |

Л

Очистка в УЗ ванне в водном растворе ПАВ, при температуре от 308 до 314 К в течение 3 мин

Очистка в УЗ ванне в водном растворе этилового спирта в течение 2 мин

Очистка в УЗ ванне в дистиллированной воде комнатной температуры в течение 1 мин

Сушка изделий на воздухе или ! сушильном шкафу

Операции подготовки поверхности изделий перед МДО

ЭПН порошка оксида алюминия со средним линейным размером от 50 до 100 мкм при технологических режимах: / от 350 до 450 А, 0.13 м

Обезжиривание путем промывки з ацетоне или растворе этилового спирта

Контроль качества _покрытий

3-

Промывка в дистиллированной воде[-

Промывка изделий в дистиллированной воде и сушка на воздухе или в сушильном шкафу

МДО изделий при у от 2000 до 3000 А/и1 в течение 20±1 мин

Рис. 12. Технологическая схема формирования оксидного покрытия

Общие выводы по работе

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена научно-практическая задача, связанная с повышением механических свойств электроплазменных напыленных покрытий на изделиях из конструкционных сплавов титана. С этой целью выполнено обоснование возможности повышения микротвердости и адгезионно-когезионной прочности покрытий, полученных ЭПН оксида алюминия на основу из конструкционного сплава титана путем проведения последующего МДО. Разработан метод улучшения структурных характеристик и механических свойств электроплазменных напыленных керамических покрытий. Решение данной задачи позволило сделать несколько выводов:

1. На основе анализа научно-технической литературы сформулирована гипотеза о возможности повышения механических свойств плазменных покрытий путем проведения после ЭПН процесса МДО.

2. Разработана физическая модель процесса МДО изделий с электроплазменным напыленным покрытием, установлена зависимость величины физического воздействия паро-плазменного образования возникающего при МДО, способствующего изменению структуры и состава, от размера пор и толщины ЭПН покрытия.

3. Проведен анализ элементно-фазового состава, структуры покрытий после модификации методом МДО, подтверждено наличие физического воздействия на материалы покрытия и основы.

4. Определены эмпирические зависимости параметров формируемого покрытия от технологических режимов ЭПН оксида алюминия и последующего МДО: при максимальных значениях тока дуги и дистанции напыления, а также плотности тока. При оксидировании увеличивается гомогенность структуры и микротвердость, снижается поверхностная пористость.

5. Определены рациональные режимы формирования керамического покрытия с высокими значениями микротвердости и адгезионно-когезионной прочности методом ЭПН оксида алюминия с последующим МДО: при ЭПН порошка оксида алюминия произвольной формы со средним линейным размером (50 ... 100)xl0ft м, рекомендуются следующие величины тока дуги и дистанции напыления: /=350...450 А, ¿=0.13 м; МДО рекомендуется проводить при плотности тока j величиной от 2000 до 3000 А/м2 в течение 20±1 минут.

6. Разработаны конструктивно-технологические рекомендации для проведения процессов формирования и модификации покрытий на титановых сплавах методами ЭПН и МДО.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Статьи в журналах, включенных в перечень рекомендованных ВАК РФ

1. Кошуро В.А. Создание диэлектрических слоев на медных деталях методом микродугового оксидирования / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, A.B. Лясникова// Вестник СГТУ. - 2013. -№ 3(72). - С. 76-80.

2. Кошуро В.А. Влияние плазменных процессов формирования покрытий на механические характеристики изделий из титановых сплавов / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. -№ 10.-С. 18-23.

3. Кошуро В.А. Состав и структура покрытия, полученного на титановом сплаве ВТ16 при комбинированной обработке методами электроплазменного напыления и микродугового оксидирования / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова//Журнал технической физики. - 2014. -№ 10. - С. 153-155.

Публикации в изданиях, входящих в библиографические и реферативные базы данных Scopus и Web of Science

4. Koshuro V.A. Composition and Structure of Coatings Formed on a VT16 Titanium Alloy by Electro-Plasma Spraying Combined with Microarc Oxidation / V.A. Koshuro, G.G. Nechaev, A.V. Lyasnikova II Technical Physics, 2014. - Vol. 59.-№ 10.-P. 1570-1572.

Публикации в других научных изданиях

5. Кошуро В.А. Нанесение упрочняющего покрытия с нанопорами методом микродугового оксидирования / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев // Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии: сб. материалов Всерос. молодежной конф. - Саратов, 2012. - С. 238-240.

6. Кошуро В.А. Создание диэлектрических слоев методом микродугового оксидирования на медных деталях медицинских приборов / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова // Современные биоинженерные и ядерно-физические технологии в медицине: сб. материалов Междунар. молодежной науч. школы. 18.09.2012. - Саратов: ООО «Издательство Научная книга», 2012.-С. 86-88.

7. Кошуро В.А. Оптимизация конструкции элемента катодного узла с учетом технологии создания диэлектрических слоев методом микродугового оксидирования на медных деталях / В.А. Кошуро, Ю.Ю. Богдан // Современные биоинженерные и ядерно-физические технологии в медицине: сб. материалов Междунар. молодежной науч. школы. 18.09.2012. - Саратов: ООО «Издательство Научная книга», 2012. - С. 226-229.

8. Кошуро В.А. Создание упрочняющего покрытия методом микродугового оксидирования на миниимплантатах / В.А. Кошуро, А.В. Лясникова // Современные инновационные проекты в стоматологии: сб. материалов Всероссийской молодежной научной школы. 17.09.2012. - Саратов: ООО «Издательство Научная книга», 2012. - С. 107-109.

9. Кошуро В.А. Создание упрочняющего покрытия методом микродугового оксидирования изделий из сплава на основе титана марки втб / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова // Актуальные вопросы биомедицинской инженерии: сб. материалов Всерос. молодежной науч. конф., 20-22 мая 2013 г. - Саратов: ООО «Издательство научная книга», 2013. - С. 103-108.

10. Кошуро В.А. Влияние плазменных процессов формирования покрытий на состав, структуру и механические характеристики изделий из

титана / В.А. Kouiypo // Труды 12-й Всероссйской с международным участием научно-технической конференции: в 2 т. Т. 1. 26-27 ноября 2013 г. МАТИ: Сб. трудов. М.: МАТИ, 2013.-С. 282-288.

Н.Кошуро В.А. Исследование морфологии и элементно-фазового состава биоинертных покрытий, полученных плазменными процессами на изделиях из титанового сплава ВТ16 / В.А. Кошуро, A.B. Лясникова // Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий: сб. материалов Всерос. молодежной науч. конф., 2013 г. - Саратов: ООО «Издательский Центр «Наука», 2013. - С. 704-710.

12. Кошуро В.А. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий, полученных плазменными процессами на изделиях из титанового сплава ВТ16 / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, A.B. Лясникова // Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий: сб. материалов Всерос. молодежной науч. конф., 2013 г. - Саратов: ООО «Издательский Центр «Наука», 2013. - С. 691-697.

13. Кошуро В.А. Исследование морфологии и структуры покрытий, полученных плазменными процессами на изделиях из титанового сплава ВТ16 / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, A.B. Лясникова // Materialy X mezinarodni vSdecko -praktickä conference «Moderni vymozenosti vgdy - 2014». - Dil 31. Chemie a chemicka technologie.Zemöpis a geologie.: Praha. Publishing House «Education and Science», 2014.-С. 25 -30.

Н.Кошуро В.А. Модификация плазмонапыленных покрытий последующим микродуговым оксидированием / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, A.B. Лясникова // Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы: сборник материалов III Междунар. заоч. науч. конф. для молодых ученых, студентов и школьников. 14 февраля - 15 мая 2014 г. - М.: Прондо, 2014. - С. 153-156.

15. Пугаченко Ю.И. Разработка конструкции эндопротеза локтевого сустава с покрытиями, полученными методами электроплазменного напыления и микродугового оксидирования / Ю.И. Пугаченко, И.П. Гришина, Д.С. Гришин, A.A. Лясникова, В.А. Кошуро // Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы: сб. материалов III Междунар. заоч. науч. конф. для молодых ученых, студентов и школьников. 14 февраля - 15 мая 2014 г. - М.: Прондо, 2014.-С. 324-330.

16. Маркелова O.A. Особенности нанесения покрытий при помощи установки плазменного напыления УПН 28 / O.A. Маркелова, В.А. Протасова,

A.A. Лясникова, В.А. Кошуро // Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы: сб. материалов III Междунар. заоч. науч. конф. для молодых ученых, студентов и школьников.. 14 февраля - 15 мая 2014 г. - М.: Прондо, 2014.-С. 333-338.

17. Кошуро В.А. Модификация плазмонапыленного оксидного покрытия на титановом сплаве ВТ 16 последующим микродуговым оксидированием //

B.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, A.B. Лясникова // Перспективы развития научного

знания в XXI веке: материалы II Всерос. науч.-практ. конф., Тамбов, 29 мая 2014 г. - Тамбов,2014. - С. 247-251.

18. Кошуро В.А. Повышение физико-механических свойств оксидных покрытий на титане и его сплавах, полученных электроплазменным напылением, последующим микродуговым оксидированием / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова // Молодые ученые - основа будущего машиностроения и строительства [Текст]: сб. науч. тр. Международ, науч.-техн. конф., 29 - 30 мая 2014 г. / редкол.: Гречухин А.Г. (отв. ред.);, Юго-Зап. Гос. Ун-т, Курск, 2014.-С. 184-188.

Кошуро Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТИТАНЕ И ЕГО КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВАХ ПУТЕМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

Автореферат Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 30.10.2014 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл.-печ. л. 1,0 Заказ 166

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел. 24-95-70, 99-87-39. E-mail: izdat@sstu.ru