Упрочнение покрытия плазменного напыления дисперсной дополнительной фазой карбида титана

В рамках современного экономического курса и импортозамещения в Российской Федерации все большую популярность на производственных площадках авиа- и машиностроения набирает направление по разработке новых порошковых материалов с заданной структурой и физико-механическими свойствами с целью их нанесения на поверхности деталей машин газотермическими методами напыления. При этом стоит отметить, что эксплуатационные свойства формируемых покрытий в полной мере не зависят от толщины и заданного химического состава наносимого материала [1].

В большинстве случаев газотермическое нанесение функциональных материалов производят, используя технологию плазменного напыления. Плазменное напыление – универсальный и экономически выгодный технологический процессом по нанесению покрытий с заданными функциональными свойствами, который весьма подробно изучен и описан в трудах таких ученых, как Кудинов В.В. [2], Барвинок В.А. [3], Хасуй А. [4] и т. д. Конкурентные преимущества плазменного напыления заключаются в том, что данная технология позволяет повысить качество выпускаемой продукции и одновременно обеспечить сохранение окружающей среды. При этом в настоящее время в Германии функционируют порядка 2500 установок газотермического напыления, при этом Китай за последние годы произвел закупку более 1000 установок по напылению защитных покрытий для применения их у космической отрасли. Производственные компании России на данный момент активно используют технологии: восстановление деталей с помощью на их изношенные поверхности нанесения композитных покрытий [5], плазменное напыление покрытий с целью упрочнения поверхностей [6], нанесение полимерных композитных покрытий на рабочие поверхности ответственных деталей механизмов [7], а также гальванические методы нанесения композитных покрытий с целью восстановления и упрочнения [8] и т. д.

На основе анализа работ [2–8], был сделан вывод о том, что перспективным направлением по получению композитных покрытий с необходимыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами является именно плазменное напыление, поскольку свойства композитных материалов (покрытий) в основном зависят от сочетания их микроструктуры и параметров кристаллической решетки, формируемой при напылении, при котором используется транспортирующий и плазмообразующий газы [9].

Из чего следует, что проблема формирования композитных покрытий плазменным напылением не теряет своей актуальности, поэтому, са-мосмазываемые и износостойкие композитные покрытия все больше привлекают к себе внимание исследователей [10, 11].

Цель работы – изучить вопрос создания композитного покрытия с дополнительной дисперсной фазой, провести теоретические и практические исследования по особенностям упрочнения сформированного композита на основе стандартного самофлюсующегося сплава с дополнительным включением карбида титана.

Материалы и методы

Известно [12], что структура композитных покрытий представляет собой матрицу – основной компонент, которая содержит в своем объеме упрочняющую фазу – наполнитель (армирующий элемент). Чаще всего композиты классифицируют по их структуре, в частности, различают дисперсно-упрочненные, слоистые и волокнистые функциональные покрытия. При этом указанная классификация является весьма условной ввиду того, что получаемые композитные покрытия обычно включают в себя функциональные и структурные особенности сразу двух типов.

В данной работе представлены результаты исследования композитного покрытия, сформированного при плазменном напылении самофлюсующегося порошкового материала на никелевой основе ПР-НХ17СР4, состав которого представлен в таблице 1, с добавлением упрочняющей дисперсной фазы – карбида титана (TiC).

Таблица 1.

Химический состав порошка ПР-НХ17СР4

Table 1.

Chemical composition of the powder PR-NH17SR4

Массовая доля элемента,% Mass fraction of the element,%
Никель (Ni) |Nickel	основа│base
Углерод (C) |Carbon	1,0
Хром (Cr) |Chrome	17.0
Кремний (Si) |Silicon	4,1
Бор (B) |Boron	3,6
Железо (Fe) |lron	5,0

Порошок ПР-НХ17СР4 для напыления обладает фракцией 45–125 мкм, высокой стойкостью к абразивному и эрозионному износу за счет высокопрочной фазы Cr 7 C 3 , коррозии в пресной и морской воде, солевых растворах, нефтесодержащих средах, устойчивость против окисления на воздухе до 700–750 ^оС. Коэффициент трения μ =0,4 при трении по стали Х12М на воздухе [13].

Карбид титана (TiC) для напыления фракцией 40–64 мкм, относится к группе сверхтвердых и тугоплавких материалов. При воздействии плазменной дуги TiC способен выдерживать резкие температурные перепады и к агрессивные среды его дальнейшей эксплуатации [14, 15].

Напыление порошковой механической смеси (ПР-НХ17СР4+ TiC) производилось на установке для плазменного напыления УПУ-3Д с плазмотроном ПНК-50 с межэлектродной вставкой. Необходимо отметить, что массовый расход напыляемого материала mП составило 0,3–0,5 г/с.

Из работ [13, 16] известно, что упрочнение композитного покрытия происходит за счёт введения в материал матрицы дополнительной жесткой дисперсной фазы, а также ввиду увеличения числа формируемых дислокаций (рисунок 1). Под дислокацией композитного покрытия будем понимать некоторое деформирование кристаллической решетки матрицы покрытия ввиду внедрения в неё наполнителя, который образует движение линейных дефектов. Природа данного эффекта связана с взаимным отталкиванием дислокаций, затрудняющим их движение [16].

Рисунок 1. Схематичное изображение дислокаций в композитном покрытии

Figure 1. Schematic representation of dislocations in a composite coating

Как видно из рисунка 1 в плоскости матрицы, в которой равномерно распределены частицы наполнителя (дисперсные включения), дислокация должна проходить между включениями, поскольку тем самым будут создаваться дислокационные петли, которые будут образовывать поле упругих напряжений, затрудняющих проход последующих дислокаций. Расстояние между дисперсными включениями L можно вычислить при контролируемым и / или упоря- доченном их расположении в слоях покрытия матрицы [17]

d 1,91f i - Tw ’

где d – размер, частиц, мкм; f – объемная доля упрочняющей фазы в композитном материале.

Ввиду особенностей технологии плазменного напыления внутренняя макроструктура формируемого композитного покрытия будет стохастической, при этом в процессе формирования покрытия случайными становятся форма, размеры и свойства мелкодисперсной фазы, так и их локализация в основной матрице [18].

Сложность теоретического описания и прогнозирования напряжения сдвига согласно теории Фишера–Харта–Прайя, а также теории Орована, в композитных покрытиях, заключается в оценке обоюдного влияния матрицы и наполнителя, но и с изменяющимися размерами наполнителя ввиду высоких температур в процессе его напыления, а также с неоднозначностью определения величины вектора Бюргерса b . Кроме того, при формировании композитного покрытия возможно возникновения агломератов (рисунок 2, a). Чтобы этого избежать, необходимо чтобы матричный материал с включениями наполнителя подвергались спеканию и деформированию в плазменной струе практически одновременно, тогда можно будет избежать агломерации наполнителя (рисунок 1, b) [17].

(a)                               (b)

Рисунок 2. Теоретическое распределение частиц в дисперсно-упрочненном композите: (a) – агломерация наполнителя при введении в расплавленную матрицу, (b) – формируемое покрытие при спекании и деформировании дисперсно-упрочненном композита Figure 2. Theoretical distribution of particles in a dispersed-hardened composite: (a) – agglomeration of the filler when introduced into the molten matrix, (b) – formed coating during sintering and deformation of the dispersed-hardened composite

Согласно теории Орована, напряжение сдвига τO зависит от напряжения линии дислокации t, вектора Бюргерса b и расстоянием между дисперсными включениями L и их размеров d td т =•

О2

.

Напряжение линии дислокации t выражается [3].

Gb ²

t =  2’

где G – модуль сдвига матрицы, Па.

Следовательно, напряжение сдвига композитного материала τK1, учитывая напряжение в матрице покрытия без наполнителя τ, а также формулу (2) теории Орована, определяется выражением t d       Gb2 d

т = т + т = т +   "  = Т +    "  . (4)

^{K 1    O       O} 2 b L ^O   4 b  L

Следует отметить, что с помощью формулы (4) описывает напряжение сдвига

Рисунок 3. Структура покрытия с дополнительной дисперсной фазой карбида титана

композитного материала до образования в нем дислокационных петель. При этом, как отмечено в ряде работ [17–19], напряжения сдвига композитного покрытия согласно теории Орована

Figure 3. Structure of the coating with an additional dispersed phase of titanium carbide

На рисунке 4 представлен поперечный шлиф с полученным композитным нанесенным покрытием. Из рисунка 4 видна характерная

практически в два раза расходятся с экспериментальными величинами, полученных в лабо-

слоистая структура композитного покрытия, вызванная особенностью технологии ее нанесения.

раторных условиях.

Возникает необходимость в расчете напряжения сдвига на стадии деформирования композитного покрытия. Для данного расчета применим выражение из теории Фишера-Харта-Прайя

Т

K 2

2 CGnb f

d

где n – количество дислокационных петель; C – некоторая константа.

Теории Орована и Фишера–Харта–Прайя описывают упрочнение достаточно приблизительно [16, 20]. В реальном композите включения, как правило, распределены неравномерно – наибольшая их плотность наблюдается вблизи границ зерен либо более крупных характерных структурных единиц в зависимости от способа получения композитного покрытия.

Рисунок 4. Поперечный шлиф покрытия с дополнительной дисперсной фазой карбида титана

Figure 4. Cross section of the coating with an additional dispersed phase of titanium carbide

Металлографический анализ производился согласно ГОСТ 1778–70 с использованием оптического микроскопа Axiovert 40 MAT. С целью

Результаты и обсуждение

Взяв за основу проведенные теоретические основы по упрочнению покрытия плазменного напыления дисперсной дополнительной фазой, проводились экспериментальные исследования композитного покрытия, нанесенного плазменным напылением состава – порошок ПР-НХ17СР4 фракцией 45–125 мкм – 76,5% и порошок TiC фракцией 63–80 мкм – 23,5%.

Массовая доля матрицы (порошок ПР-НХ17СР4) и наполнителя (TiC) подбиралась экспериментально согласно центральному композиционному рототабельному плану многофакторного эксперимента. Подбор состава порошка производился с учетом итогового получения композитного покрытия с наивысшей прочностью сцепления с основой.

Структура покрытия из материала 76,5% ПР-НХ17СР4+23,5% TiC, представленная на рисунке 3, состоит из никелевой основы с равномерно расположенными мелкими включениями карбида титана, которые находятся с ней в достаточно прочной связи.

выявления структурных составляющих композитного покрытия микрошлифы исследовались без предварительного травления. Химический состав покрытия исследовался на искровых оптико-эмиссионных спектрометрах PMI MASTER Pro и ДФС-500.

Произведем расчеты упрочнения покрытия с учет наполнителя – карбида титана. Необходимо учесть, что оплавляемые частицы наполнителя будут разноразмерными и в процессе плазменного напыления некоторая часть напыляемого материала будет соударяться с подложкой.

Размер частиц карбида титана в нерасплавленном виде, учитывая высокую температуру в струе плазменного напыления, в среднем будет равен 25 мкм, а его объемная доля в покрытии составит 0,15.

Отсюда расстояние между дисперсными включениями будет равно d1,91f

L = — , ~ 29 мкм (6) 1 - jW

Напряжение сдвига композитного материала τ K1 , учитывая напряжение в матрице покрытия без наполнителя τ , а также формулу (2) теории Орована

td

Тк 1 — То + Т — То '

2bL

₂        (7)

Gb2d           Gb

— тп +     *  — Ti + 0,215.

O4b  L

Напряжения сдвига на стадии деформирования композитного покрытия согласно теории Фишера–Харта–Прайя т — ICGnbjf — о, 03CGnb.

K2

Дальнейшие расчеты необходимо проводить с учетом детального анализа модуля сдвига матрицы и количества дислокационных петель, поскольку при разных технологических режимах напыления данные величины будут претерпевать значительным изменениям.

Однако, с целью подтверждения высоких значений напряжения сдвига сформированного композитного покрытия, было проведено исследование дисперсно-наполненного композита методом сдвига согласно ГОСТ Р 56799–2015 и актуальным международным стандартам. Прочность при сдвиге составила τ = 380 МПа.

Заключение

В работе проведено исследование вопроса теоретической и практической разработки нового композитного покрытия для плазменного напыления.

Исследована структура композитного покрытия из напыляемого материала: 76,5% ПР-НХ17СР4+23,5% TiC, где роль дополнительной дисперсной фазой выполняет TiC. Предварительно проведены расчеты напряжения сдвига согласно теориям Фишера-Харта-Прайя и Орована. Согласно ГОСТ Р 56799–2015 прочность при сдвиге у исследуемого покрытия составила τ = 380 МПа.

Ввиду высоких значений прочности при сдвиге состав материала, используемый для получения композитного покрытия при плазменном напылении, рекомендуется использовать при восстановлении изношенных поверхностей стоек шасси воздушных судов, и приводов рулевых механизмов военной и гражданской авиации.