Влияние высокоскоростного газопламенного напыления механоактивированного порошка Ti-Ni-Ta на структурно-фазовое состояние и функционально-механические свойства поверхностных слоев

Одной из главных особенностей современных наукоемких технологий является стремление создавать и использовать новые материалы, обладающие, помимо уникальных сочетаний механических, физических и других свойств, способностями активно реагировать на изменение внешних условий или внешнее воздействие (интеллектуальные материалы). В этой связи формирование наноструктурных состояний в материалах с эффектом памяти формы (ЭПФ), как в объеме, так и на их поверхности является важным направлением современного материаловедения [1,2]. Это особенно важно для создания функциональных материалов нового поколения, поскольку их надежная эксплуатация требует обеспечения достаточного запаса прочности. Применение материалов с наноструктурированными поверхностными слоями из сплавов с ЭПФ позволит существенно повысить износостойкость, усталостную долговечность, коррозионную стойкость при обеспечении функциональных свойств памяти и, как следствие, повысить эксплуатационный ресурс работы изделий [3−8]. В настоящей работе приводятся результаты исследования по формированию на сталях поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ высокоскоростным газопламенным напылением механоактивированных порошков.

Целью настоящей работы является повышение функционально-механических свойств стальных изделий путем создания наноструктурного состояния в покрытии из материала с эффектом памяти формы высокоскоростным газопламенным напылением механически активированного порошка TiNiTa.

Исследовали конструкционную сталь 45 после высокоскоростного газопламенного напыления сплава TiNiTa с использованием универсальной установки для высокоскоростного газопламенного напыления. Высокоскоростное газопламенное напыление сплава проводилась порошком TiNiTa на цилиндрических образцах (Ш1050 мм).

Перед напылением порошки подвергались измельчению и механической активации в шаровой мельница ГЕФЕСТ-2 (АГО-2У). Размер частиц порошка Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ для напыления составил 20−50 мкм. Частицы порошка Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ имели форму покоробленных чешуек, наиболее ярко выраженную в крупных частицах. Порошок в состоянии утряски имеет мелкие внутричастичные и крупные межчастичные поры. Анализ дифрактограммы порошка Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ показал, что его структура состоит из аустенитной фазы (~83%) и мартенситной фазы (~17%). Перед высокоскоростным газопламенным напылением (ВГН) порошок Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ подвергался сушке в вакуумном сушильном шкафу в течении 5−7 ч при температуре 90−120С на противнях из нержавеющей стали при толщине засыпки до 25 мм.

В качестве горючего газа использовалась смесь метана и кислорода, аргон являлся транспортирующим газом для порошка. Высокоскоростное газопламенное напыление осуществлялась при угле наклона горелки 45−70°. В качестве материала для поверхностного модифицирования использовали порошок TiNiTa марки Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂. Размер частиц порошка составлял 5−30 мкм. Изучение крупных и мелких частиц порошка Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ после механоактивации показало, что они имеют форму плоских дисков (Рис. 1). Как далее показывает анализ, исходный размер частиц порошка оказывает существенное влияние на свойства, формируемого слоя. Перед высокоскоростным газопламенным напылением механически активированный порошок Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ просушивался в вакуумном сушильном шкафу в течении 3−6 ч при температуре 120−180С на противнях из нержавеющей стали при толщине засыпки до 25 мм.

Для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой проводили предварительную дробеструйную обработку поверхности стали с последующим её травлением 15% раствором азотной кислоты.

Рис. 1. Морфология частиц механически активированного порошка марки Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂

адгезия механоактивация фазовый Структуру и фазовый состав поверхностного слоя исследовали методами рентгеноструктурного анализа и световой микроскопии. Рентгенофазовый анализ проводили на приборе ДРОН-7М в Cu-К_б излучении. Исследование микроструктуры проводили на растровом электронном микроскопе JSM-7500 °F. Многоцикловые усталостные испытания при изгибе с вращением проводились на установке МУИ-6000. Испытания на износ производились на машине трения СМТ-1 — 2070, обеспечивающей возможность контроля температуры образца в процессе испытания. Количественная оценка износостойкости производилась гравиметрическим методом.

Макрои микроанализ поверхностных слоев сплава Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂, полученных по отработанной технологии, показал, что структура покрытий достаточно плотная, с размером зерна от 100 до 200 нм (рис. 2а-г). Граница раздела между покрытием и подложкой без видимых дефектов. При прохождении частиц порошка через газопламенную струю они нагреваются и при ударе о подложку затвердевают в виде деформированных дисков, которые видны на снимках и имеют диаметр 10−20 мкм и толщину 0,8−2 мкм.

• а) б)
• в) г)

Рис. 2. Микроструктура Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ покрытия полученного высокоскоростным газопламенным напылением: а) — Ч2500; б) — Ч10 000; в) — Ч100 000; г) — Ч100 000

На рис. 3 представлено количественное распределение размера зерен и их процентного содержания в покрытии Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂.

Рис. 3. Количественное распределение размера зерен и их процентного содержания в покрытии Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂

При комнатной температуре основные структурные составляющие поверхностного слоя Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ — мартенситная фаза В19' с моноклинной решеткой, аустенитная В2-фаза с кубической решеткой, в — фазы Ta, а также наблюдается небольшое количество оксида титана (TiO) менее 2% (Рис. 4).

Рис. 4. Рентгенофазовый анализ сплава Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂, после высокоскоростного газопламенного напыления

Проведенные исследования напыления порошка в исходном состоянии и после механоактивации показали, что предварительная механоактивация порошков позволяет снизить пористость покрытий до 1% и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой до 100−120МПа.

Исследование эволюции структуры на всех этапах поверхностного модифицирования выполнялся на основе фрактального подхода методом мультифрактальной параметризации, который базируется на качественном анализе инструментальными методами и в дополнении к таким классическим параметрам микроструктуры, как размер зерна, удельная площадь, связанных с физико-механическими свойствами, несет информацию количественного характера.

Мультифрактальный анализ (МФА) показал, что размерность самоподобия частиц механоактивированного порошка Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂, D₀=0,998, для среднестатистической частицы составляет D₀=0,998, т. е. отдельная частица не обладает фрактальностью, поскольку имеет близкую к нулю адаптивность. Пороговая устойчивость D₁₀₀ =1,293 указывает на принадлежность частиц порошка к квазиупругой среде. Результаты МФА поверхностного слоя Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ после высокоскоростного газопламенного напыления представлены на рис. 5. Величина размерности самоподобия для сплава Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ и стали 45 составила D₀=1,952 и D₀=1,565. Известно, для аустенитных сталей, значение порога устойчивости составляет порядка 1,8, т. е. сталь, не претерпевшая никаких воздействий, не переходит порог перколяции, значение D₁₀₀=1,757.

При сопоставлении мультифрактальных характеристик с традиционными характеристиками структуры установлена связь между показателем МФМ — фрактальной размерностью структуры (D₀) и размером зерна (d, мкм). Изменение фрактальной размерности и размера зерна по глубине слоя TiNiTa описывается графиком рассеяния двухординатного типа с полиномиальным приближением (рис. 5).

Рис. 5. Изменение размера зерна (d) и фрактальной размерности структуры материала «сталь-слой TiNiTa» по толщине поверхностного модифицированного слоя, полученного высокоскоростным газопламенным напылением

Для оценки эксплуатационных свойств образцов из стали 45 после поверхностного модифицирования Ti₃₈Ni₅₀Ta₁₂ с последующим поверхностно-пластическим деформированием (ППД) выполнены испытания на многоцикловую усталость при изгибе с вращением, которые показали существенное повышение долговечности (рис. 6, а). Наибольшее значение амплитуды переменных напряжений, до которого образцы не разрушались базовое число циклов (предел выносливости, у_-1) для стали 45 без покрытия составляет 275 МПа, а после поверхностного модифицирования сплавом с эффектом памяти формы TiNiTa — 427 МПа, т. е. увеличилось на ?35,6%.

a) б).

Рис. 6. Кривые выносливости стали 45: без покрытия (1), после поверхностного модифицирования TiNiTa (2) — а); зависимость интенсивности изнашивания I от давления диска Р: скорость скольжения диска 0,5 м/с -1; 1 м/с -2; 1,5 м/с -3; 2 м/с -4 — б)

На рис. 6, б приведены результаты испытания на износ образцов из стали 45 с поверхностным наноструктурированным слоем TiNiTa толщиной 0,3 мм, полученным ВГН, по схеме диск-диск. Испытания проводились в условиях сухого трения при различных скоростях скольжения диска. В процессе нагружения измерялась температура в месте контакта. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью прикладного пакета Statistica v10.0 в среде SPSS. Анализ полученных зависимостей показывает (рис. 6, б), что при больших скоростях испытания практически отсутствует период приработки, а при малых скоростях он слабо выражен. Повышение износостойкости поверхностно модифицированного слоя TiNiTa составляет 3,6 раза по сравнению со сталью.

На основе анализа фазового состава, среднего размера зерен, определенного методом электронной микроскопии высокого разрешения и мультифрактальной параметризации структуры показана взаимосвязь свойств покрытий с их структурно-фазовым состоянием. Установлены закономерности эволюции структурных параметров и мультифрактальных характеристик поверхностных слоев из материалов с ЭПФ, позволяющие прогнозировать свойства композиции «сталь-покрытие».

На основе экспериментальных исследований показано, что механоактивация порошков из материалов с ЭПФ на основе TiNiTa, позволяет создать эффективную технологию подготовки напыляемого материала, которая обеспечила формирование наноструктурированных поверхностных слоев при высокоскоростном газопламенном напылении.

Экспериментально установлено, что после высокоскоростного газопламенного напыления механически активированного порошка с эффектом памяти формы TiNiTa улучшаются эксплуатационные свойства: циклическая долговечность в условиях многоцикловой усталости увеличивается на ~35,6%; износостойкость увеличилась в 3,6 раза.

Список используемой литературы

• 1. Лякишев Н. П., Алымов М. И. Наноматериалы конструкционного назначения // Российские нанотехнологии. 2006. — Т.1−2. С. 71−81.
• 2. Валиев Р. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации // Российские нанотехнологии. — 2007. — Т.1−2. — С. 208−216.
• 3. Бледнова Ж. М., Русинов П. О. Формирование наноструктурированных поверхностных слоёв из материалов с памятью формы на основе TiNi плазменной наплавкой // Упрочняющие технологии и покрытия 2009. № 9. — С. 23−31.
• 4. Бледнова Ж. М., Русинов П. О. Структурно-механические особенности формирования поверхностных слоёв при плазменном напылении NiAl // Известия вузов. Сев. — Кавказ. регион. Технические науки. 2009. № 6. С. 84−89.
• 5. Zh.M. Blednova, P.O. Rusinov. Mechanical and Tribological Properties of the Composition «Steel — nanostructured Surface Layer of a Material with Shape Memory Effect Based TiNiCu» Applied Mechanics and Materials Vols. 592−594 (2014) pp 1325−1330.
• 6. Zh.M. Blednova, P.O. Rusinov, M.A. Stepanenko Influence of Superficial Modification of Steels by Materials with Effect of Memory of the Form on Wear-fatigue Characteristics at Frictional-cyclic Loading. Advanced Materials Research Vols. 915−916 (2014) pp 509−514
• 7. Rusinov P.О., Blednova Zh.M., Chaevsky М.I. Options for Forming of Nanostructured Surface Coatings. Advanced Materials Research Vol. 1064 (2015) pp. 154−159.
• 8. P.O. Rusinov, Zh.M. Blednova. Technological Features of Obtaining of Nanostructured Coatings on TiNi Base by Magnetron Sputtering. Advanced Materials Research Vol. 1064 (2015) pp 160−164.