Введение к работе
Актуальность работы. При большом разнообразии условий работы деталей машин и инструмента во многих случаях наиболее нагруженным является поверхностный слой. Повышение ресурса таких технических объектов достигается применением поверхностного упрочнения, в том числе нанесением покрытий. Среди существующих методов широко применяется метод формирования покрытий из потоков металлической плазмы вакуумной дуги. Наибольшее распространение получили вакуумно-дуговые покрытия на основе нитрида титана. Однако покрытия из одноэлементного нитрида титана практически исчерпали свой потенциал и не отвечают современным техническим требованиям. В последнее время интенсивно развиваются исследования по получению многокомпонентных и композиционных покрытий. Существенное повышение физико-механических и эксплуатационных свойств достигается при введении в покрытие из нитрида титана алюминия и/или кремния.
Получение многокомпонентных покрытий вакуумно-дуговым методом требует осаждения на подложку многокомпонентных потоков плазмы. Эти потоки могут быть получены одновременным испарением раздельных од- нокомпонентных катодов или одного многокомпонентного катода. При использовании раздельных катодов необходимый элементный состав потока достигается сложным и трудоемким подбором технологических режимов распыления каждого из катодов, состава и давления реакционного газа. Поэтому перспективными являются технологии, в которых многокомпонентные покрытия получают из одного катода, содержащего необходимые компоненты в нужном соотношении.
Главным недостатком вакуумно-дугового метода является наличие в плазме большого количества микрокапель испаряемого материала катода, существенно ухудшающих эксплуатационные свойства покрытий. Эта проблема решается путем использования разнообразных устройств для сепарации плазмы, что усложняет и удорожает вакуумно-дуговые установки. Количество капельной фазы уменьшается при росте температуры плавления катодного материала. В этой связи актуальной представляется разработка методов и технологий получения многокомпонентных катодов на основе металлоподобных тугоплавких соединений титана.
Традиционно материалы на основе тугоплавких соединений получают спеканием или горячим прессованием. Эти технологии являются энергоемкими, многостадийными, требуют дорогостоящих печей с защитной атмосферой или вакуумом. Кроме того, сами тугоплавкие компоненты получают в основном также энергоемким печным синтезом. Альтернативой технологиям печного синтеза и спекания служит самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). В основе СВС лежат реакции экзотермического взаимодействия химических элементов или соединений, протекающих в режиме горения. Процесс синтеза целевого продукта идет за счет тепла химических реакций и не требует внешней энергии для нагрева. Высокоэкзотермические реакции позволяют вводить в порошковую смесь реагентов инертные компоненты и получать самые разнообразные по составу материалы.
Проведение в одной установке сначала СВС, а затем силового уплотнения горячих продуктов синтеза (технология СВС-прессования) позволяет в одну стадию получать высокоплотные заготовки из материалов на основе тугоплавких соединений. Синтез целевого материала из шихтовой заготовки в режиме горения происходит за 5^10 с, а продолжительность одного цикла СВС-прессования составляет не более 10^15 мин. Изготовление аналогичной заготовки спеканием инертных порошков под давлением длится несколько часов. Высокая производительность, низкая энергоемкость, простота основного оборудования и возможность синтеза разнообразных по составу материалов обуславливают актуальность проведения исследований по получению методом СВС-прессования многокомпонентных катодов на основе тугоплавких соединений титана.
В НИТУ «МИСиС» разработана СВС технология получения многослойных и функционально-градиентных мишеней на основе карбидов, бо- ридов, силицидов, нитридов, оксидов методом СВС, совмещенная с напайкой продуктов синтеза к металлической пластине через слой припоя, для ионно-плазменного и ионно-лучевого напыления функциональных и многофункциональных покрытий. Ряд мишеней на основе боридов титана и хрома был успешно применен в технологии импульсного вакуумно- дугового осаждения покрытий.
При этом исследования по применению СВС - мишеней на основе карбида титана в технологии вакуумного катодно-дугового испарения до настоящего времени не проводились.
Цель работы - получение методом СВС-прессования многокомпонентных катодов в системах Ti-C-Al и Ti-C-Al-Si и применение их в технологии вакуумного катодно-дугового испарения.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
Применить способ одностадийного СВС-прессования многослойных композиционных материалов для получения многокомпонентных катодов на основе карбида титана на металлическом основании с водоохлаждаемой полостью для вакуумно-дугового нанесения покрытий.
Исследовать закономерности горения порошковых смесей рабочего слоя катодов Ti-C-Al и Ti-C-Al-Si, синтеза многокомпонентных продуктов горения и их взаимодействия с другими функциональными слоями.
Исследовать состав, структуру и функциональные свойства многокомпонентных катодных СВС-материалов в системах Ті-С-Al и Ті-С-Al-Si.
Исследовать состав, структуру, механические и эксплуатационные свойства вакуумно-дуговых покрытий, полученных при использовании многокомпонентных СВС-катодов систем Ті-С-Al и Ті-С-Al-Si.
Научная новизна.
-
-
Изучены процессы горения и фазообразования, структура и функциональные свойства многокомпонентных СВС-прессованных катодных материалов в системе Ti-C-Al-Si с содержанием 20, 25 и 30 % силумина состава Al-10% Si. Установлено, что продукты СВС представляют собой композиты на основе МАХ-фазы состава Ti3AlC2, содержание которой составляет 82 ^ 84%.
-
Экспериментально установлены закономерности влияния составов и масс функциональных слоев на их свариваемость при СВС-прессовании многокомпонентных катодов с титановым или стальным основанием при использованиии экзотермических припоев. Показана взаимосвязь массы рабочего слоя и технологических параметров получения бездефектных многослойных СВС-катодов.
-
Изучены морфология, фазовый состав, микроструктура и механические свойства вакуумно-дуговых нитридных покрытий, полученных из многокомпонентных СВС-катодов систем Ti-C-Al и Ti-C-Al-Si. Несмотря на более высокий ток дуги у СВС-катодов, за счет высокой температуры плавления объем микрокапельной фазы у покрытий из многоэлементных нитридов титана (Ti,Al)N и (Ti,Al,Si)N в 1,5 ^ 3 раза меньше, чем у покрытия из одноэлементного нитрида титана TiN.
Практическая значимость. Разработана экспериментальная технология получения в одну стадию СВС-прессованных многослойных катодов на металлическом основании с водоохлаждаемой полостью. Определены составы и масса функциональных слоев и технологические параметры, обеспечивающие получение в одну стадию бездефектных СВС-катодов при различных составах и размерах рабочего слоя. В отличие от технологий пайки или диффузионной сварки при СВС-прессовании не используются специальные припои, нагревательные устройства с защитной атмосферой и отсутствуют энергозатраты на нагрев соединяемых слоев.
Использование многокомпонентных СВС-материалов на основе тугоплавких соединений титана позволяет без сепарации плазменного потока получать вакуумно-дуговые покрытия с малым содержанием микрокапельной фазы и высоким уровнем механических и эксплуатационных свойств.
СВС-прессованнные материалы, полученные в системах Ti-C-Al и Ti-C-Al-Si, расширяют номенклатуру многокомпонентных катодных материалов для получения вакуумных катодно-дуговых покрытий.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается применением современного оборудования и аттестованных методик исследований, значительным количеством экспериментальных данных и применением статистических методов обработки результатов, сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов.
На защиту выносятся:
-
-
-
Закономерности влияния составов и масс функциональных слоев на их свариваемость при СВС-прессовании многокомпонентных катодов с титановым или стальным основанием при использованиии экзотермических припоев.
-
Результаты исследования фазового состава, структуры и функциональных свойств многокомпонентных СВС-прессованных катодных материалов в системе Ti-C-Al-Si с содержанием 20, 25 и 30% силумина состава Al-10% Si.
-
Результаты исследования морфологии, фазового состава, микроструктуры, механических и эксплуатационных свойств вакуумных катод- но-дуговых нитридных покрытий, полученных из многокомпонентных СВС-катодов в системах Ti-C-Al и Ti-C-Al-Si.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Международный симпозиум по СВС (Аттика, Греция, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (С.Петербург, 2011 г.); Всероссийская научно-техническая интернет- конференция с международным участием (Самара, 2008, 2009, 2010 г.г.); Международная конференция НПМ-2010 (Волгоград, 2010 г.); Международной научно-практической конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С.-Петербург, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Металлдеформ- 2009» (Самара, 2009 г.); Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2009 г.)
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень рецензируемых журналов ВАК РФ, получен 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 155 наименований. Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста и содержит 51 рисунок, 31 таблицу и 1 приложение на 2 листах.
Похожие диссертации на СВС-прессование многокомпонентных катодов на основе систем Ti-C-Al и Ti-C-Al-Si для нанесения вакуумно-дуговых покрытий
-
-
-
