Исследование механических и трибологических свойств покрытий из композиционных материалов, армированных квазикристаллами и полученных методом холодного газодинамического напыления

УДК 622.5; 621.9

DOI: 10.30987/article 5c652632e022e2.16320051

О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, АРМИРОВАННЫХ КВАЗИКРИСТАЛЛАМИ И ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

Представлены составы покрытий из композиционных материалов, армированных квазикристаллами. Определены оптимальный состав и режимы нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления. При оптимальном технологическом режиме изготовлены образцы,

исследованы их механические и трибологические свойства.

Ключевые слова: газодинамическое напыление, квазикристаллы, покрытия из композиционных материалов, трибологические свойства.

О.В. БПсЬепко, М.У. БПиуапоуа

INVESTIGATION OF STRESS-STRAIN AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF COMPOSITE COATINGS ARMORED WITH QUASI-CRYSTALLINE AND OBTAINED THROUGH METHOD OF COLD GAS-DYNAMIC SPUTTERING

The work purpose consists in the development of the structure and mode definition for the cold gas-dynamic sputtering of antifriction coating based on composites armored with quasi-crystalline for manufacturing sliding bearings. The development object is quasi-crystals of Al-Cu-Fe system, metal composite coatings based on copper armored with quasi-crystalline particles.

During the work compositions of coatings armored with quasi-crystals were developed, the optimum composition and modes of coating application by a method of cold gas-dynamic sputtering is defined.

At the optimum technological mode samples are manufactured, their stress-strain and tribilogical properties were investigated.

Key words: gas-dynamic sputtering, quasi-crystalline, composite coatings, tribological properties .

Введение

В трибологии и материаловедении антифрикционных композитов можно выделить ряд проблем, отражающих современные тенденции в этой области знаний, решение которых необходимо для обеспечения научного и технического прогресса. Наибольшие усилия разработчиков сосредоточены на создании полимерных антифрикционных материалов, предназначенных для работы в режиме гидродинамического трения. Подшипники качения и скольжения с антифрикционными покрытиями являются наиболее эффективными конструкциями, позволяющими существенно повысить мощность и надежность работы фрикционных узлов машин.

Основными техническими преимуществами при работе в среде масла антифрикционных материалов на основе ме-таллополимеров, керамополимеров и ком-

позиционных материалов являются меньшая разность между статическим и динамическим коэффициентами трения, что существенно улучшает динамику переходных процессов в машинах, а также бесшумность работы и малый удельный вес.

Энергия торможения высоконагру-женных систем выделяется в зоне трения и преобразуется в тепловую энергию и энергию разрушения поверхности. В связи с этим антифрикционные материалы должны удовлетворять следующим требованиям: иметь высокий коэффициент теплопроводности, низкий коэффициент трения, стабильный до температур 450-500 °С, низкие параметры по износу, высокие упругие и прочностные характеристики.

Требованиям для эксплуатации узлов трения при температурах до 500 °С в полной мере удовлетворяют керамические и

композиционные материалы на основе карбида кремния и карбонитрида титана, исследования по определению физико-

Разработка состава и режимов нанесения ского напыления

Нанесение покрытия проводилось с использованием метода холодного газодинамического напыления. Отработка режимов нанесения порошковых материалов производилась на плоских образцах размерами 90х20х2 мм. Рабочая поверхность образцов подвергалась перед напылением шлифованию, затем струйно-абразивной обработке. Нанесение покрытия проводилось на установке «Димет-403», использующей в качестве рабочего тела воздух. Скорость газопорошковой смеси на срезе сопла - 650-850 м/с. Температура торможения сверхзвуковой струи варьировалась в пределах от 150 до 350 °С.

Покрытие наносилось в защитной камере при использовании системы вентиляции с пылеочисткой. Давление воздуха в пневмосистеме устанавливалось во всех случаях равным 0,8 МПа. Благодаря невысокой температуре напыления квазикристаллическая фаза химически не взаимодействует с медью, а большая скорость

механических свойств которых проведены в данной работе.

покрытия методом холодного газодинамиче-

потока обеспечивает наклепывание пластичных частиц меди и твёрдых частиц квазикристаллов на подложку и образование прочных связей между компонентами покрытия.

Для приготовления порошковых смесей использовались порошки квазикристаллов ВКК1Б (ТУ 1-595-31-1081) и меди ПМС-1 (ГОСТ 4960). Порошок квазикристаллов подвергался размолу в планетарной мельнице стеклянными шариками диаметром 2 мм в течение 30 мин (при соотношении мелющих тел (шариков) и порошка 10:1 по весу). Был получен порошок с дисперсностью менее 3 мкм.

Перемешивание порошков проводилось в турбулентном смесителе в течение 1 ч.

Были определены концентрации исходных элементов в зависимости от объёмной доли квазикристаллов. Концентрация исходных элементов определялась по формуле

где %весА - массовая доля квазикристаллов; %обА - объёмная доля квазикристаллов; рА - плотность квазикристаллов; %обВ - объёмная доля меди; рВ - плотность меди.

Опробовано несколько составов порошковых смесей с различным содержанием квазикристаллов, для напыления на установке «Димет-403» определены оптимальные режимы напыления.

Полученные образцы представляли собой прямоугольные стальные пластины (90х20х2) с композиционным покрытием толщиной 0,5 мм. Поверхность после шлифовки обладает медно-розовым цветом и небольшими дефектами в виде неравномерности напыления.

Были изготовлены шлифы покрытий. Металлографические исследования на оп-

тическом микроскопе с увеличением х950 показали, что частицы квазикристаллов равномерно распределены в медной матрице, пористость покрытия незначительная. Однако прочность сцепления частиц квазикристаллов с медной матрицей оказалась мала - вероятно, из-за низкого значения поверхностной энергии, характерного для квазикристаллов. При шлифовании квазикристаллы выкрашивались из матрицы.

Был скорректирован состав покрытий. В порошковую смесь введен порошок железа марки ПЖР2.200.22 (ГОСТ 9849). Порошок промышленного производства был рассеян на фракции на ситах с ячейкой 0,25 и 0,125 мм. Использовалась полученная средняя фракция. Крупные, сферической формы частицы железа не включа-

ются в состав покрытия, так как не успевают приобрести в воздушной струе скорость, необходимую для пластической деформации и приваривания. В то же время они обладают существенной кинетической энергией для того, чтобы дополнительно уплотнять и деформировать покрытие.

Количество добавляемого порошка железа подбиралось экспериментально. Избыток частиц железа в смеси приводит к сильной деформации наносимого слоя, появлению трещин в покрытии и уменьшению сцепления с подложкой вплоть до отслаивания (рис. 1). Недостаточное количество - не дает эффекта увеличения прочности сцепления квазикристаллов с медной матрицей.

Рис. 1. Растрескивание покрытия

Было обнаружено, что при добавлении порошка железа в количестве около 10 % по массе, при одновременном снижении

температуры напыления до 250 0С, покрытие получается удовлетворительного качества, но несколько снижается его адгезия к подложке (рис. 2). Для улучшения адгезии принято решение перед нанесением покрытия наносить подслой чистой меди.

Рис. 2. Покрытие оптимального состава

Окончательно был принят следующий состав порошковой смеси: медь - 78,2 %, квазикристаллы - 12,7 %, железо - 9,1 % по массе. С учетом того, что порошок железа в состав покрытия не включается, это соответствует 14 % весового содержания квазикристаллов или 30 % объемного.

Режим нанесения покрытия на установке «Димет-403»: температура - 250 0С, подача порошка - не более второго положения ручки регулятора питателя.

Исследование шлифов полученых покрытий (рис. 3) подтвердило отсутствие заметной пористости и улучшение сцепления частиц квазикристалла с матрицей.

Определение механических и трибологических свойств покрытия

Адгезия полученного покрытия оценивалась методом изгиба по ГОСТ 9.30288. Стальные пластинки размером 90х20х2 с нанесенным покрытием изгибались под прямым углом. Оценивалось отслаивание покрытия, растрескивание не учитывалось (рис. 4). Образцы продемонстрировали удовлетворительную адгезию (протокол испытаний № 3615/31).

Рис. 3. Образцы покрытия, нанесённого методом холодного газодинамического напыления на стальные подложки

Рис. 4. Образец покрытия после оценки

адгезии методом изгиба

Микротвердость покрытия определялась по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 20 г. Отдельно определена микротвердость медной матрицы и зерен квазикристаллов на двух микрошлифах покрытия. Микротвердость составила от 388 до 407 МПа для матрицы и от 1290 до 1393 МПа для зерен квазикристалла (протокол № 3612/31).

Исследованы трибологические свойства покрытия. Проведены испытания на трение и износ (протокол испытаний № 3565/05). Для этого были изготовлены образцы с покрытием из металлического композиционного материала на основе ме-

Выводы

1. Разработаны составы антифрикционных покрытий, упрочненных частицами квазикристаллов системы Л1-Си-Бе.

2. Определены концентрации исходных элементов в зависимости от объемной доли квазикристаллов и оптимальный состав покрытия.

3. Определены оптимальные режимы нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления на установке «Димет-403».

4. Изготовлены опытные образцы покрытия.

5. Исследованы механические и три-бологические свойства опытных образцов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Захаров, Б.М. О прочности сцепления покрытий, наносимых методом плазменного напыления / Б.М. Захаров, М.Г. Трофимов, Л.И. Гусева [и др.] // Порошковая металлургия. - 1970. - № 11. - С. 71-76.

ди с содержанием квазикристаллов 14 %вес. Образцы представляли собой стальные кольца диаметром 28 мм с нанесённым на торцевую часть покрытием (рис. 5).

Испытания на износостойкость проводились в паре с контртелом из стали 30Х13 на испытательной машине И-47 согласно ММ 1.595-5-315 в течение одного часа при осевой нагрузке 30 МПа и скорости перемещения 0,1 м/с в среде сухого помещения. Средний коэффициент трения - 0,48. Износ контртела - в среднем 408 мг/ч.

СОФ

Рис. 5. Образцы покрытия на торцевых частях

покрытия. Адгезия покрытия к подложке удовлетворительная. Пористость образцов покрытия оценивалась на изготовленных шлифах при помощи оптического микроскопа при увеличении х950, покрытие плотное. Микротвердость покрытия составляет для медной матрицы от 388 до 407 МПа, для зерен квазикристалла - от 1290 до 1393 МПа. Коэффициент трения по стали 30Х13 составил в среднем 0,48. Износ контртела при осевой нагрузке 30 МПа и относительной скорости 0,1 м/с составил в среднем 408 мг/ч.

2. Денисов, Л.В. Обеспечение эксплуатаци-

онных свойств деталей и узлов газотурбинного двигателя локальным поверхностным легированием / Л.В. Денисов, А.Г. Бойцов, М.В. Силуя-нова // Вестник Самарского университета.

Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2018. - № 2. - С. 19-24.

3. Boitsov, A.G. Electric-Discharge Milling of Small Airplane-Engine Components / A.G. Boitsov, M.V. Siluyanova, V.V. Kuritsyna // Russian Engineering Research. - 2018. - Т. 38. - № 7. - Р. 552-556.

4. Сильченко, О.Б. О перспективах применения наноструктурных гетерофазных полифункциональных композиционных материалов в авиадвигателестроении / О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова, В.Е. Низовцев, Д.А. Климов, А.А. Корнилов // Вопросы материаловедения. - 2018. - № 1. - С. 50-57.

5. Силуянова, М.В. Усовершенствование узлов трения силовых установок путем нанесения напыляемых покрытий из керамических композитов / М.В. Силуянова, А.О. Фертиков // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2018.

- № 2. - С. 122-131.

6. Sil'chenko, O.B. Diagnostics of Dimensionally Controlled Microgrinding to Meet Quality Specifications / O.B. Sil'chenko, M.V. Siluyanova, V.V. Kuritsyna // Russian Engineering Research. - 2018.

- Т. 38. - № 8. - Р. 604-609.

1. Zakharov, B.M. On cohesion strength of coatings applied by method of plasma spraying / B.M. Zakharov, M.G. Trofimov, L.I. Guseva [et al.] // Powder Metallurgy. - 1970. - No.11. - pp. 71-76.

2. Denisov, L.V. Operational properties support of parts and units in gas turbine engine by local surface doping / L.V. Denisov, A.G. Boitsov, M.V. Siluyanova // Bulletin of Samara University. Aerospace Equipment, Technologies, and Mechanical Engineering. - 2018. - No.2. - pp. 19-24.

3. Boitsov, A.G. Electric-Discharge Milling of Small Airplane-Engine Components / A.G. Boitsov, M.V. Siluyanova, V.V. Kuritsyna // Russian Engineering Research. - 2018. - Vol. 38. - No. 7. - P. 552-556.

4. Silchenko, O.B. On outlooks of nano-structural, heterophase, poly-functional composite application

in aircraft engine manufacturing / O.B. Silchenko, M.V. Siluyanova, V.E. Nizovtsev, D.A. Klimov, A. A. Kornilov // Problems of Material Science. -2018. - No.1. - pp. 50-57.

5. Siluyanova, M.V. Improvement of friction units in power-plants by ceramic composite spraying / M.V. Siluyanova, A.O. Fertikov // Bulletin of Samara University. Aerospace Equipment, Technologies and Mechanical Engineering. - 2018. - No.2. - pp. 122-131.

6. Silchenko, O.B. Diagnostics of Dimensionally Controlled Microgrinding to Meet Quality Specifications / O.B. Silchenko, M.V. Siluyanova, V.V. Ku-ritsyna // Russian Engineering Research. - 2018. -Vol. 38. - No. 8. - P. 604-609.

Статья поступила в редакцию 26.11.18.

Рецензент: д.т.н., профессор Северо-Кавказского горно-металлургического института Дмитрак Ю.В. Статья принята к публикации 25.01.19.

Сведения об авторах:

Сильченко Ольга Борисовна, д.т.н., профессор Московского авиационного института, е-mail: silyaolya@yandex.n .

Silchenko Olga Borisovna, Dr. Sc. Tech., Prof. of Moscow Aircraft Institute, е-mail: silyaolya@yandex. ru.

Силуянова Марина Владимировна, д.т.н., профессор Московского авиационного института, е-mail: dс2mati@yandex.ru.

Siluyanova Marina Vladimirovna, Dr. Sc. Tech., Prof. of Moscow Aircraft Institute, е-mail: dс2mati@yandex.ru.