Особенности структурообразования и свойства покрытий на основе диборида титана, полученных электронно-лучевой наплавкой и газопламенным напылением

Особенности структурообразовання и свойства покрытий на основе диборида титана, полученных электронно-лучевой наплавкой и газопламенным напылением

К.А. Колесникова, Н.К. Гальченко

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

В работе приведены результаты исследования структуры и трибологических свойств композиционных покрытий «диборид титана - металлическая связка», полученных методами электронно-лучевой наплавки, газопламенным напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом. Показано, что покрытия, полученные электронно-лучевой наплавкой, обладают более высокими значениями износостойкости при абразивном изнашивании и износе в парах трения.

Features of structure formation and properties of TiB2-based coatings produced by electron-beam surfacing and gas-flame deposition

K.A. Kolesnikova and N.K. Galchenko

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

The paper contains investigation findings for the structure and tribotechnical properties of composite coatings “titanium diboride -metallic binder” produced by electron-beam cladding, gas-flame deposition and gas-thermal spraying with subsequent electron-beam fusion. It is shown that coatings produced by electron-beam cladding have higher wear resistance in abrasion and wear of friction pairs.

1. Введение

В последнее десятилетие одним из основных направлений повышения износостойкости рабочих поверхностей узлов и механизмов, работающих в условиях интенсивного износа, является применение различных способов и технологий упрочнения с использованием концентрированных потоков энергии. Тенденция к разработке подобных технологических решений обусловлена повышением их эффективности при конструировании поверхностных слоев за счет различных механизмов упрочнения и возможности образования градиентных поверхностных структур.

Известно, что трибологические и прочностные свойства покрытий определяются, в первую очередь, свойствами твердой фазы, а также структурой, которая формируется в процессе затвердевания. Процессы кристаллизации принципиально отличаются друг от друга при электронно-лучевой наплавке покрытий и при газотермических технологиях их нанесения [1].

Цель настоящей работы — изучение влияния технологических приемов нанесения композиционных покрытий на основе боридов на структуру и трибологические свойства покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой, газотермическим напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом.

2. Материалы и методика исследования

В исследованиях использовали композиционные порошки, полученные методом самораспространяющего-ся высокотемпературного синтеза (СВС) из следующих материалов: ферробор ^еВ) марки ФБО и ферротитан ^еТС) марки ТУВ, порошки титана ПТМ и ПТС, железо карбонильное, бор аморфный МРТУ-602-292-14. Средний размер частиц порошков брался в пределах

50...150 мкм. Образцы диаметром 10...25 мм и высотой

6...15 мм прессовались в жесткой пресс-форме односторонним сжатием, самораспространяющийся высоко-

© Колесникова К.А., Гальченко Н.К., 2006

температурный синтез проводился в среде аргона при давлении (2...2.5) • 102 МПа. Инициирование горения осуществляли с помощью вольфрамовой спирали, в ряде случаев с помощью поджигающей смеси состава Ti: 2B, спрессованной в виде таблеток разного размера. В качестве подложки были использованы пластины из стали Ст3.

Для электронно-лучевой наплавки готовили механическую смесь в соотношениях компонентов, представленных в табл. 1.

Наплавку покрытий осуществляли электронно-лучевым методом в 2-4 прохода при ускоряющем напряжении 28кВ. Диаметр луча — 1 мм, длина развертки — 12 мм, скорость перемещения подложки — 2 мм/с, толщина наплавляемого слоя — 2...3 мм.

Наплавочный материал исследовали с помощью металлографического микроскопа МИМ-9, микротвердомера ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76) при нагрузке Р = 50 г. Рентгенофазовый анализ осуществляли на дифрактометре ДРОН-4.

Абразивный износ покрытий проводили о нежестко-закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 23.208-79) (кварцевый песок).

Трибологические свойства покрытий исследовали в парах трения по методу «неподвижный индентор из твердого сплава - вращающийся диск». Твердость ин-дентора составляла Н^ = 29.3 ГПа. Испытания проводили при комнатной температуре со смазкой (N20 + SMT) и без подачи смазки в зону контакта на машине трения PC-Controlled High Temperature Tribometer THT-S-AX0000 при нагрузке 10 Н и скоростях скольжения V = 5, 11 см/с. Основные параметры износа покрытий в паре трения определяли в процессе непрерывного скольжения после завершения приработки по стабилизации коэффициента трения и линейного износа.

Напыление порошков осуществляли с помощью газопламенного пистолета UNI-SPRAY-JET с использованием ацетилено-кислородной смеси.

3. Результаты и обсуждение эксперимента

Наплавку покрытий из термореагирующих порош-

ков проводили исходя из расчетов соотношения исход-

ных компонентов смеси на получение в композицион-

ном покрытии 33 вес. % 113 2 по уравнению химической реакции [2]:

х FeB + у FeTi ^ ИВ2 + Fe + Q.

В результате экзотермической реакции, происходящей между компонентами смеси при воздействии электронного пучка, формируются композиционные покрытия на основе тугоплавкого соединения ПВ2 с железной матрицей.

Полученные данные металлографического и рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в покрытиях, наплавленных термореагирующими порошками состава 1 (табл. 1), в приповерхностных зонах основными фазами являются мелкодисперсные бориды титана и их конгломераты с твердостью Н = 32.5 ГПа. Кроме боридов железа и титана присутствуют фазы а-Ре, Ре2В и Ре2П, находящиеся в составе эвтектической матрицы в виде эвтектик: Ре 2В- Ре, Ре 2П- Ре и ИВ 2 - Ре. Микроструктура покрытия представлена на рис. 1, а.

Исследование структуры покрытия, наплавленного смесью порошков состава 2, показало, что в процессе наплавки сформировалась слоистая структура с преимущественным содержанием фазовых составляющих в пределах сформированных слоев. Слоистость структуры может быть связана с условиями структурообразования при высокоскоростном затвердевании (104...106 °С/с) неоднородного расплава с различной степенью насыщенности легирующими элементами из-за большого разброса гранулометрического состава исходных составляющих наплавляемой смеси. Так, в центре слоя сформировалась структура, состоящая, в основном, из кристаллов Ре2В твердостью Н = 14.4 ГПа, расположенных в эвтектической связке Ре2В - Ре. Приповерхностная зона покрытия состоит из частиц, имеющих ярко выраженную кристаллографическую огранку, окаймленных тонкими прослойками эвтектики (рис. 1, б). По результатам рентгенофазового анализа и измерениям нанотвердости данные частицы представляют собой бориды титана ИВ, И 3В 4, ИВ 2 с твердостью Н = 22...34 ГПа.

Дополнительное введение 6 % вес. бора аморфного в исходную смесь порошков (состав 3) позволило сформировать качественное беспористое покрытие толщиной 5 мм с высокими значениями твердости по глубине

Таблица 1

Состав наплавляемого порошка

№ п/п Основной компонент Связка Дополнительно легирующие элементы Гранулометрический со став, мкм

1 50 % FeB + 50 % FeTi FeB

2 50 % FeB + 50 % FeTi FeB

3 47 % FeB + 47 % FeTi 6 % аморф FeB (125...200), FeTi (50...200), B <90

4 5 50 %

Рис. 1. Микроструктура поверхности покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой

слоя (Н^ = 20...25 ГПа). Это стало возможным благодаря тому, что бор аморфный, относящийся к активным добавкам, в небольших количествах способствует улучшению структуры наплавок в связи с появлением легко-

плавких эвтектик, значительно ускоряющих процессы взаимодействия компонентов между собой и на границе с подложкой [3]. Визуальное наблюдение показало появление большого количества жидкой фазы в процессе наплавки, улучшающей распределение расплава на подложке. По данным микрорентгеноспектрального анализа, в области, прилегающей к границе раздела с подложкой, сформировалась структура, состоящая из частиц РеВ с Н^ = 15 ГПа. Далее в направлении к поверхности структура покрытия представлена, в основном, фазами ИВ 2 и ИВ и отличается по глубине слоя лишь дисперсностью структурных составляющих (на поверхности — наиболее мелкозернистая структура с частицами размером 5...10 мкм) (рис. 1, в). Твердость поверхностного слоя составила Нц = 25 ГПа, что определило высокую абразивную износостойкость покрытия (КИ = 7.38).

При создании покрытий на основе СВС-композита (ИВ 2 - Ре) со связками из железа и никеля в работе [4] было показано, что при электронно-лучевой наплавке возникали трудности с получением качественных беспо-ристых покрытий, связанные с низкой жидкотекучестью расплава, формирующегося на подложках. В связи с этим в работе были исследованы покрытия на основе композита (ИВ 2 - Ре) с различным содержанием связки (30, 50, 70 вес. %) из высоколегированного хромистого чугуна ПГ-УС-25, обеспечивающей высокую жидко-текучесть образующегося на подложках расплава.

Металлографический и рентгенофазовый анализ структур покрытий, наплавленных композиционными порошками (ИВ2 - Ре) -ПГ-УС-25, показал, что частицы СВС-композита (ИВ 2 - Ре) активно провзаимо-действовали со связкой с образованием в структуре покрытий соединений Ре 2 В и ИВ, а также двойного борида титана-хрома (И, Сг)В2, образовавшегося в результате замещения хромом части титана в соединении ИВ 2. Во всех структурах присутствуют фазы Сг23 С 6, Сг7 С3. Сравнительный анализ выявил однородную, беспористую структуру и высокие значения микротвердости (Н^ = 18 ГПа) у покрытия (ИВ 2 - Ре) -70 % ПГ-УС-25 (состав 4, рис. 1, г). При кристаллизации, по данным металлографического и рентгенофазового анализа, в поверхностном слое наплавки сосредоточились кристаллы (И, Сг)В2, обусловившие высокие значения абразивной износостойкости (Ки = 7.65).

Результаты сравнительного анализа трибологических характеристик, полученных при сухом трении в паре с индентором из вольфрамового твердого сплава, показали, что наиболее низкие значения интенсивности изнашивания имеют покрытия, наплавленные смесью термореагирующих порошков из РеВ и РеИ при скорости скольжения V = 5 см/с (I = 1.61..2.39) (табл. 2).

Сравнительный анализ структур и износостойкости покрытий тех же составов, но полученных газопламенным методом, показал, что после напыления их пористость находилась в пределах 19...28 %. На границах

Таблица 2

Коэффициент трения ^ и интенсивность изнашивания I боридных покрытий, полученных различными методами

Состав, % вес. Наплавка Напыление Напыление с оплавлением

5 см/с 11 см/с 5 см/с 11 см/с 5 см/с 11 см/с

50 % FeB (200...315) + 50 % FeTi (200...315) /тр 0.526 0.395 0.579 0.689 0.544 0.608

I, мкм/км 2.32 1.45 566 650 31.23 178

50 % FeB (200...315) + 50 % FeTi (50...200) /тр 0.515 0.517 0.613 0.656 0.694 0.528

I, мкм/км 1.61 3.30 1700 2360 235.8 49.38

47 % FeB (125...200) + /тр 0.420 0.479 0.324 0.692 0.613 0.571

+ 47 % Fe Ті (50...200) + 6 % Ваморф I, мкм/км 2.39 6.34 985 2566 221 129

30 % (ТіВ2^є) СВС + 70 % ПГ-УС-25 /тр 0.536 0.628 0.245 0.541 0.480 0.305

I, мкм/км 3.32 12.0 380 1700 4.17 7.04

раздела «покрытие - подложка» наблюдались цепочки пор, что предопределило их низкую адгезионную прочность и частичное отслаивание покрытия от подложки. Для всех трех составов рентгенофазовым анализом установлено отсутствие в структуре высокотвердой фазы ТІВ2, наличие низкобористых фаз ТіВ, Ті2В и соединений FeB, FeTi. Исследования показали, что высокие значения абразивного износа напыленных покрытий (Ки = 0.5...0.8) и износа в парах трения (табл. 2) связаны с выкрашиванием отдельных частиц, которое происходит главным образом из-за наличия пор и участков с пониженной прочностью. Диапазон твердости покрытий Н^ составлял 14...20 ГПа.

Напыленные покрытия, дополнительно оплавленные электронным лучом, показали промежуточные значения по твердости Н^, абразивной износостойкости Ки= 1.8...2.3 и трибологическим характеристикам /тр, I (табл. 2) по сравнению с наплавленным и напыленным состоянием. Рентгенофазовый и металлографический анализ показал, что электронно-лучевое оплавление напыленных покрытий приближает их структурное состояние к состоянию, характерному для покрытий, полученных наплавкой, но оплавленные покрытия имеют более мелкодисперсную структуру. Оплавление приводит к снижению пористости до 3...5 %, к появлению в структуре покрытий мелкодисперсных частиц дибори-дов титана ТіВ 2 (1...5 мкм) наряду с фазами ТіВ, Ті 2В5 и к увеличению количества а^е по сравнению с напыленным состоянием.

Следует отметить, что напыленные покрытия на основе СВС-композита (ТіВ 2 - Fe) с 70 % вес. ПГ-УС-25 имеют наиболее низкие значения коэффициента трения и интенсивности изнашивания по сравнению с другими составами. Покрытия, полученные как электронно-лучевой наплавкой, так и по совмещенной технологии, имеют соизмеримые значения коэффициентов трения и интенсивности изнашивания, что объясняется снижением объемного содержания пор и дефектов в структуре

покрытий, ростом обьемной доли карбидных фаз при кристаллизации высокохромистого расплава и наличием первичных и вторичных мелкодисперсных соединений ИВ2, (И, Сг)В2.

4. Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что на фазо- и структурообразование, распределение упрочняющих фаз значительное влияние оказывает не только способ ввода боридов титана (экзотермические смеси, СВС-композиты), но и технологии получения композиционных покрытий на их основе. Экспериментально установлено, что представленные в работе покрытия, полученные электронно-лучевой наплавкой, обладают наиболее высокими значениями триботехнических характеристик по сравнению с покрытиями, полученными газопламенным напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом.

Использованные режимы газопламенного напыления и электронно-лучевого оплавления не позволили полностью реализовать возможности этих методов для получения более качественных покрытий, в связи с чем предусматривается дальнейшее проведение исследовательских работ по оптимизации вышеуказанных технологических режимов.

Литература

1. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Ремпе Н.Г.

Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. -

№2.- С. 34-38.

2. Пат. 2205094 РФ. Способ электронно-лучевой наплавки / В.Е. Па-

нин, С.И. Белюк, В.Г. Дураков и др. // Изобретения. - 2003.

3. Жаростойкие и теплостойкие покрытия // Труды 4-го Всесоюзного

совещания по жаростойким покрытиям / Под ред. Л.П. Барышникова, Л.А. Рейхерта. - Л.: Наука, 1969. - 553 с.

4. Гальченко Н.К., Белюк С.И., Панин В.Е. и др. Электронно-лучевая

наплавка композиционных покрытий на основе диборида титана // Физика и химия обработки материалов. - М.: Наука, 2002. -№ 4. - С. 68-72.