Содержание к диссертации
Введение
1. Методы повышения физико-механических свойств материалов 11
1.1. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и свойства конструкционных материалов 11
1.2. Физико-механические свойства титановых сплавов в субмикрокристаллическом и наноструктурном состояниях 15
1.3. Основные методы объёмного наноструктурирования материалов 20
1.4. Методы поверхностного модифицирования материалов 25
1.5. Методы нанесения полимерных покрытий 38
1.6. Постановка задачи 42
2. Материалы и методы исследования 44
2.1. Исследуемые материалы 44
2.2. Механическая обработка 47
2.3. Ультразвуковая обработка 47
2.4. Измерение шероховатости 48
2.5. Исследование физико-механических свойств модифицированных поверхностей титановых сплавов 49
2.5.1 Методика измерения микротвердости тонких поверхностных слоев 49
2.5.2 Трибологические испытания 50
2.6. Исследование структуры модифицированных поверхностей титановых сплавов 51
2.6.1 Методика подготовки металлографических шлифов 51
2.6.2 Методика подготовки образцов для электронно-микроскопического исследования 53
3. Особенности ультразвуковой обработки титановых сплавов, исследование структуры и физико механических свойств модифицированных поверхностей 58
3.1. Механическая обработка образцов из титановых сплавов 58
3.2. Ультразвуковое модифицирование титановых сплавов 60
3.3. Термографическое исследование процессов механического воздействия на титановые сплавы 62
3.4. Исследование морфологии поверхности образцов титановых сплавов... 3.5. Микротвердость поверхностных слоев образцов, подвергнутых ультразвуковой обработке 69
3.6. Металлографическое исследование структуры сформированных упрочненных слоев титановых сплавов 75
3.7. Исследование структуры сформированных упрочненных слоев титановых сплавов 80
3.8. Выводы по главе 3 1 83
4. Формирование композиции «металл-полимер» на поверхности титановых сплавов методом ультразвукового воздействия 85
4.1. Формирование композиции «металл-полимер» на титановых сплавах методом ультразвукового воздействия 85
4.2. Исследование шероховатости и микротвердости сформированных композитных металл-полимерных слоев 88
4.3. Влияние полимерного покрытия на смачиваемость поверхности 93
4.4. Исследование излучательных свойств сформированного металл-полимерного покрытия 96
4.5. Исследование влияния сформированного полимерного покрытия на износостойкость поверхности 98
4.6. Термогравиметрический анализ полимерного покрытия 105
4.7. Выводы по главе 4 109
Основные выводы 111
Список литературы
- Основные методы объёмного наноструктурирования материалов
- Исследование физико-механических свойств модифицированных поверхностей титановых сплавов
- Металлографическое исследование структуры сформированных упрочненных слоев титановых сплавов
- Исследование шероховатости и микротвердости сформированных композитных металл-полимерных слоев
Введение к работе
Актуальность работы. Титан и сплавы на его основе являются одним из
наиболее распространенных конструкционных материалов в машиностроении,
авиастроении, а также в производстве изделий медицинской техники и, в частно
сти, биоимплантантов, работающих в живом организме. Это обусловлено важней
шими отличительными свойствами титана, такими, как сравнительно низкий мо
дуль упругости, высокая удельная прочность и биосовместимость с живой тканью.
Однако требования к современной технике и медицине диктуют необходимость
создания конструкционных материалов нового поколения, обладающих повышен
ными механическими, усталостными и другими функциональными характеристи
ками. В связи с этим в последнее время стремительное развитие получили методы и
технологии создания объемных субмикро - и нанокристаллических материалов, ко
торые по своим эксплуатационным свойствам превосходят крупнозернистые ана
логи. В то же время существующие методы объемного наноструктурирования на
кладывают ограничения на форму и размеры получаемых полуфабрикатов. Кроме
того, для получения из них готовых деталей требуется значительная механическая
обработка, сопровождающаяся возникновением в зоне резания высоких темпера
тур, способствующих процессам рекристаллизации. ^-" ,.
Поскольку процесс износа и последующего разрушения многих деталей машин начинается с поверхности, то придание именно поверхностному слою высоких эксплуатационных свойств для увеличения ресурса работы деталей является. необходимым и часто достаточным условием. Одним из перспективных методов повышения эксплуатационных свойств материалов, в том числе и при нанесении полимерных антифрикционных покрытий, является ультразвуковая поверхностная обработка. Однако систематических исследований в области получения нанострук-турного состояния в поверхностном слое в результате ультразвуковой обработки на сегодняшний день не проводилось. Также слабо изученными остаются вопросы повышения износостойкости путем комбинированной обработки, совмещающей ультразвуковое воздействие на поверхность с одновременным нанесением антифрикционных полимерных покрытий.
Последнее обусловливает актуальность данной работы, заключающейся в исследовании возможности создания в титановых сплавах модифицированных поверхностных слоев вплоть до наноструктурного состояния, в том числе с одновременным нанесением антифрикционных полимерных покрытий посредством ультразвуковой финишной обработки.
Целью работы является повышение физико-механических свойств титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 путем модифицирования поверхности и формирования композиции «металл-полимер» ультразвуковой обработкой и комплексное исследование микроструктуры и механических свойств модифицированных поверхностных слоев.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
1. Установить зависимость микротвердости титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 после ультразвуковой обработки от исходной шероховатости поверхности как фак-
тора, влияющего на величину деформации поверхностного слоя при ультразвуковой обработке.
-
За счет целенаправленного увеличения предварительной шероховатости поверхности исследовать возможность достижения наноструктурного состояния поверхностного слоя титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 после ультразвуковой обработки.
-
Исследовать возможность формирования композиции «металл-полимер» на поверхности титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 посредством ультразвукового воздействия на поверхность через слой полимерного порошка.
-
Исследовать влияние композитного металл-полимерного слоя, формируемого с использованием ультразвукового воздействия на износостойкость титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6.
Научная новизна работы.
-
Установлено, что структура поверхностного слоя титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6, формирующегося в результате ультразвуковой обработки, зависит от исходной шероховатости поверхности, как фактора влияющего на величину деформации.
-
Получена зависимость микротвердости титановых сплавов после ультразвуковой обработки от исходной шероховатости поверхности. Показано, что с увеличением исходной шероховатости поверхности повышается микротвердость после ультразвуковой обработки.
-
На примере титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 показана возможность формирования в поверхностном слое наноструктурного состояния со средним размером элементов структуры соответственно 100 нм и 50 нм.
-
Показана возможность формирования композитного металл-полимерного слоя на поверхности титановых сплавов путем воздействия ультразвука на его поверхность через слой полимерного порошка.
Практическая ценность работы.
Разработанные рекомендации по повышению эффективности ультразвуковой обработки титановых сплавов на основе подбора предварительной шероховатости поверхности позволяют формировать в поверхностном слое субмикро- и наност-руктурное состояние.
Разработанный метод получения композитного металл-полимерного слоя с использованием ультразвукового воздействия позволяет повысить износостойкость титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6.
Положения, выносимые на защиту:
-
Зависимость микротвердости титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 после ультразвуковой финишной обработки от предварительной шероховатости поверхности.
-
Увеличение предварительной шероховатости поверхности до 80 мкм, приводящее к достижению наноструктурного состояния поверхностного слоя при ультразвуковой обработке.
-
Способ формирования композитного металл-полимерного слоя с использованием механического воздействия с ультразвуковой частотой.
-
Результаты исследования влияния композитного металл-полимерного слоя, полученного с использованием ультразвукового воздействия на износостойкость титановых образцов.
5. Практические рекомендации по использованию композитного металл-полимерного слоя, полученного с использованием ультразвукового воздействия, для повышения износостойкости деталей из титановых сплавов.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается воспроизводимостью экспериментальных исследований, их сходимостью с аналогичными данными других авторов и апробацией полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: трех Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современные техника и технологии» - г. Томск (2008, 2009, 2010 гг.); на двух Международных научно-технических конференциях «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» - г. Тюмень (2008, 2009 гг.); на двух научно-практических конференциях с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» - г. Томск (2009 г.); на Международной конференции по металлургии и материалам «Metal 2009» - г. Прага, Чешская республика (2009 г.); на X Китайско-Российском симпозиуме по передовым материалам и технологиям - г. Цзясин, Китай (2009 г.); в работе школы-семинара для магистров, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Хорста Герольда «Новые технологии, материалы и инновации в производстве» - г. Томск (2009 г.); на двух Международных научно-практических конференциях с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» - г. Томск (2010,2011 гг.).
Исследования и апробация основных результатов проводились при содействии гранта РФФИ № 06-08-01220-а (2006-2009 гг.); РФФИ № 09-08-09209-моб_з (2009 г.); программы «УМНИК», проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2008-2010 гг.); проекта АВЦП № 3.659.2011 (2011 г.).
Публикации. По содержанию работы и результатам исследований опубликовано 15 печатных работ в сборниках трудов российских и зарубежных конференций, в том числе четыре статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получен 1 патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и формулировке задач совместно с научным руководителем, проведении экспериментальных и теоретических исследований, в обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка литературы из 147 наименований и приложения. Всего 134 страницы машинописного текста, включая 48 рисунков и 14 таблиц.
Основные методы объёмного наноструктурирования материалов
К настоящему времени в многочисленных исследованиях научных коллективов из различных стран мира обоснована перспектива возможностей, которые дает формирование наноразмерной структуры для координального улучшения механических свойств металлов и сплавов, в том числе для повышения таких важных для практического применения этих материалов характеристик, как пределы текучести и прочности, сопротивление усталостному разрушению и износостойкость.
Так в работе [13] показано, что в результате сочетания винтовой и сортовой прокатки с большими степенями деформации средний размер зерен уменьшается с 9,5 мкм в исходном состоянии до 0,14 мкм в состоянии после деформационной обработки. Формирование такой структуры приводит к значительному увеличению прочностных характеристик сплава ВТ 1-0 (табл. 1.1). Из представленных в таблице данных видно, что предел прочности сплава почти в два раза превышает соответствующее значение для исходного состояния. При этом полученные значения прочностных свойств существенно превышают данные для зарубежного аналога сплава Grade-4 и соответствуют легированному титановому сплаву ВТ6 (зарубежный аналог Ti-6A1-4V). В работе [11] для формирования наноструктур использовали методы интенсивной пластической деформации (ИПД) равноканальное угловое прессование (РКУП) и всестороннюю ковку при температурах 673-723 К. Электронно-микроскопические исследования показали, что в результате такой обработки в титане формируется зеренно-субзеренная структура с размером структурных элементов 0,5-0,7 мкм. В объеме структурных элементов наблюдаются контуры экстинкции, свидетельствующие о наличии внутренних напряжений. Средняя скалярная плотность дислокаций составляет 2x10 мм . Кроме того было обнаружено, что в процессе РКУП в объеме титана образуются выделения метастабильной фазы Ті2С в виде дисков диаметром около 10-40 нм. Выделение метастабильной фазы Ті2С при относительно низких гомологических температурах связано, по- видимому, с наличием в технически чистом титане значительного количества углерода, который в титане является малорастворимой примесью, и высокими значения коэффициентов диффузии титана и углерода в сформированной методами интенсивной пластической деформации наноструктуре. Путем вариации температуры в интервале ниже температуры рекристаллизации и времени отжига можно регулировать размер выделений Ti2C при,их равномерном , : fі распределении в матрице. Другими словами, таким способом удается t получить естественный нанокомпозиционный материал с высокой термической стабильностью структурно-фазового состояния.
В результате формирования наноструктуры методом РКУП прочностные характеристики титана при растяжении увеличиваются в 1,5 - 2 раза при сохранении удовлетворительной пластичности. Наряду с этим возрастают циклостойкость и предел выносливости (табл. 1.1). Однако указанные прочностные характеристики НС титана остаются ниже соответствующих характеристик для титановых сплавов.
Дополнительная пластическая деформация прокаткой при комнатной. температуре приводит к уменьшению размеров элементов зеренно 17
субзеренной структуры нанокомпозита до 0,2 - 0,4 мкм и повышению скалярной плотности дислокаций в объеме элементов структуры до 2x1010 мм2. Прочностные свойства такого нанокомпозиционного материала достигают значений, характерных для используемых в медицине многокомпонентных титановых сплавов (табл. 1.1).
В работах [14, 15] показано, что метод многократного одноосного прессования в пресс-форме в сочетании с последующей прокаткой и отжигами формирует однородную по всему объему заготовки наноструктуру со средним характерным размером элементов структуры (фрагментов, субзерен и зерен) менее 100 нм. При этом среднее значение микротвердости возрастает с 1800 до 3400 МПа. После дополнительной обработки прокаткой пластичность титана уменьшается с 20-25% до 1-2%. Для повышения пластичности наноструктурного титана были проведены отжиги при 200-350 С. Испытания на одноосное статическое растяжение продемонстрировали, что сформированная термостабильная до 300 С микроструктура обеспечивает высокие механические характеристики титана. Предел прочности при растяжении составил 1160 МПа, предел текучести 1100 МПа, в то время как для исходного крупнокристаллического титана эти величины, соответственно, равны 270 МПа и 400 МПа. Формирование ультрамелкозернистой структуры в титане ВТ 1-0 обеспечивает высокую размерную стабильность полученных материалов при квазистатическом и циклическом нагружениях, увеличивается их усталостная прочность. При квазистатическом и циклическом изгибе сопротивление микродеформации титана после всестороннего прессования значительно повышается по сравнению с крупнокристаллическим титаном. При этом дополнительная прокатка заготовок титана в сочетании с отжигами приводит к дальнейшему возрастанию сопротивления микропластической деформации. Ограниченный предел выносливости на базе 3-Ю6 циклов при постоянной амплитуде деформации для крупнокристаллического титана составляет около 300 МПа. Формирование наноструктурного состояния в титане способствует возрастанию данной характеристики до 580 МПа.
В табл. 1.1 приведены данные о механических свойствах (пределы текучести, прочности, выносливости, относительное удлинение и микротвердость) титана ВТ1-0 в крупнокристаллическом и наноструктурном состоянии, а также для сплавов ВТ6 и ВТ16. Сведения о пластичности наноструктурного титана приведены для образцов, подвергнутых дорекристаллизационному отжигу при температуре 250 С. Видно, что механические характеристики полученного наноструктурного титана достигают значений, соответствующих высокопрочным титановым сплавам.
Результаты исследований сплава ВТ6 так же показали возможность повышения его прочностных и усталостных свойств почти в 1,5 раза, при условии формирования объемной нано - или ультрамелкозернистой структуры методами всесторонней ковки [18, 19] и равноканального углового прессования (табл. 1.1) [20].
Исследование физико-механических свойств модифицированных поверхностей титановых сплавов
Оценку микротвердости модифицированных поверхностей образцов проводили при комнатной температуре на приборе ПМТ-3. Измерения проводили в соответствии с [89]. Согласно данной методики в металл вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом в вершине 136. Микротвердость материала Нц характеризуется площадью получаемого отпечатка и определяется как отношение нагрузки Р к площади отпечатка. Нц=1,8544Р/сі2, (2.1) где d2 - площадь основания отпечатка, мкм. При вдавливании пирамиды соотношение между диагоналями получающегося отпечатка при изменении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах в зависимости от целей исследования увеличивать или уменьшать нагрузку.
Минимальная глубина проникновения индентора при измерении микротвердости, при которой погрешность измерения находится в приемлемых пределах, составляет около 1 мкм [90-94], то есть, по крайней мере, на порядок меньше толщины модифицированного слоя, получаемого при ультразвуковой обработке поверхности. Однако измерение самой диагонали отпечатка индентора при таком не большом проникновении в металл весьма затруднительно. Поэтому для того, что бы избежать искажения значений микротвердости тонких упрочненных поверхностных слоев, необходимо определить толщину этого слоя и подобрать такую нагрузку, при которой индентор погружается на величину не более чем 1/10 толщины самого тонкого слоя [89].
Исследование образцов на износостойкость проводили в центре исследования свойств материалов Научно-исследовательского института ядерной физики при ТПУ на комплексе PC-Controlled High Temperature Tribometer THT-S-AX0000 в режиме трения без смазочного материала по схеме «шарик-индентор - вращающийся диск» по [95]. Величину коэффициента трения измеряли при фиксированной линейной скорости V= 5 см/с с нагрузкой на индентор Р= 3 Н и длиной пути скольжения S=100 м. Индентор имел диаметр 3 мм и изготовлен из твердого сплава ВК (твердость более 1500 HV). Износ образцов оценивали по площади поперечного сечения трека после износа.
Металлографическое исследование структуры модифицированных поверхностей титановых образцов выполнялось в соответствии с [98, 99] на электронном инвертированном универсальном металлографическом микроскопе Axiovert 200 МАТ / М MAT (Carl Zeiss). Микроскоп предназначен для исследования различных материалов в отраженном свете. Инвертированная конструкция позволяет проводить анализ крупногабаритных образцов. Микроскоп может использоваться в составе универсального анализатора изображений ВидеоТесТ-Структура и анализатора для экспресс-контроля качества сталей и сплавов ВидеоТесТ-Металл.
Для пробоподготовки металлографических шлифов использовали автоматический пресс для горячей запрессовки образцов в различные смолы, обеспечивающий высокое качество образцов, их одинаковый размер и форму за минимально возможное время (рис. 2.4, а). В качестве удерживающей среды использовалась эпоксидная смола DuroFast с минеральным наполнителем для лучшего удержания края образца (рис. 2.4, б). Рис. 2.4 Оборудование и материалы для пробоподготовки: а -автоматический пресс; б - гранулированная эпоксидная смола
Для полировки образцов использовалась шлифовально-полировальная настольная установка Abramin с микропроцессорным управлением, предназначенная для шлифования, лаппинга и полирования всех типов материалов фирмы Struers (рис. 2.5, а) со сменными пробоподготовительными дисками (рис. 2.5, б).
Требуемого качества исследуемой поверхности достигалось за счет последовательного уменьшения фракции абразивного материала пробоподготовительных дисков. Следует отметить плохую полируемость титановых сплавов при подготовке металлографических шлифов, поэтому для конечного химикомеханического полирования использовались специальную оксидную суспензию OP-S [96, 97].
Металлографическое исследование структуры сформированных упрочненных слоев титановых сплавов
Упрочнение поверхности титановых образцов оценивали по приросту значений микротвердости при помощи микротвердомера ПМТ-3 с нагрузкой на индентор 20 г. для титана марки ВТ 1-0 и 50 г. для титанового сплава ВТ6. Результат измерения микротвердости образцов титанового сплава ВТ 1-0 после ультразвуковой обработки показал значительный разброс ее средней величины в интервале от 3200 МПа до 4000 МПа в зависимости от формы и размеров гребней шероховатости. При этом среднее значение образцов до ультразвуковой обработки составляло 2400 МПа [115, 116].
Аналогичная картина наблюдается и при исследовании титанового сплава ВТ6. Результат измерения микротвердости образцов титанового сплава ВТ6 после ультразвуковой обработки показал значительный разброс ее средней величины в интервале от 4200 МПа до 5000 МПа в зависимости от формы и размеров гребней шероховатости. При этом среднее значение микротвердости образцов до ультразвуковой обработки составляло 4000 МПа.
Анализ полученных результатов значений микротвердости образцов в зависимости от исходной шероховатости поверхности перед ультразвуковой обработкой производился посредством аппарата линейного корреляционного анализа [113, 114]. Нанеся экспериментальные данные на координатную плоскость, получаем так называемое корреляционное поле (рис. 3.6), вид которого позволяет предположить, что линейная зависимость между микротвердостью образцов и шероховатостью поверхности перед ультразвуковой обработкой не лишена оснований. где М - математическое ожидание; X - микротвердость, МПа; Y - исходная шероховатость поверхности, мкм.
Сравнивая полученные значения коэффициентов корреляции Пирсона для каждой марки титанового сплава с критическими значениями коэффициентов корреляции, определяем уровень значимости и тесноту линейной связи между предварительной шероховатостью поверхности и поверхностной микротвердостью после ультразвуковой обработки.
Результаты расчетов показали, что для титанового сплава марки ВТ 1-0 при уровне значимости у=0,05 установлена слабая корреляция, а для титанового сплава ВТ6 при уровне значимости у=0,001 установлена сильная корреляция значений поверхностной микротвердости со значениями исходной шероховатости поверхности (табл. 3.3,3.4). Таблица 3.3 Анализ наличия корреляции микротвердости с исходной шероховатости поверхности титановых образцов ВТ 1- гху - коэффициент корреляции н, Пирсонаik - критическое значениекоэффициента корреляции Микротвердость образцов титанового сплава ВТ 1-0 Rz Шероховатость образцов титанового сплава ВТ 1-0 гХу=0,34rk=0,339 (7=0,05) (слабая корреляция) а = 379,88 Таблица 3.4 Анализ наличия корреляций микротвердости с исходной шероховатости поверхности титановых образцов ВТ гху - коэффициент корреляцииПирсонаГк - критическое значениекоэффициента корреляции н, Поверхностная микротвердость образцов титанового сплава ВТ6 Rz Шероховатость образцов титанового сплава ВТ6 гху=0,76rk=0,597 (7=0,001) (сильная корреляция) а =165,12 Для оценки разброса (рассеяния) значений случайной величины относительно ее математического ожидания находим среднеквадратическое отклонение: = SUto- )2, (3.2) где ХІ - і-й элемент выборки; х — среднее арифметическое выборки; п - объем выборки.
Принимая во внимание большие значения разброса случайной величины относительно ее математического ожидания, зависимость микротвердости титановых сплавов от исходной шероховатости поверхности перед ультразвуковой обработкой следует представить в виде нелинейной зависимости (рис. 3.7). Нц,МПа
Из представленных зависимостей поверхностной микротвердости от исходной шероховатости поверхности перед ультразвуковой обработкой для обоих марок титановых сплавов видно, что наибольшее увеличение значений поверхностной микротвердости показал образец с наибольшей исходной шероховатостью.
Для исследования распределения микротвердости по глубине образца были подготовлены поперечные металлографические шлифы. Исследованию подвергались образцы каждой марки титанового сплава, имеющие наибольшую микротвердость.
Проведенное исследование образца из титанового сплава марки ВТ1-0 позволило установить, что ультразвуковое модифицирование поверхностного слоя приводит к градиентному увеличению значений микротвердости от исходного 2400 МПа до 4000 МПа на его поверхности. При этом величина переходной зоны составляет около 120 мкм (рис. 3.8).
Исследование образца из титанового сплава марки ВТ6 позволило установить, что ультразвуковое модифицирование поверхностного слоя приводит к градиентному увеличению значений микротвердости от исходного 4000 МПа до 5400 МПа на его поверхности. Несмотря на то, что при обработке титанового сплава ВТ6 эффект упрочнения от ультразвуковой обработки несколько меньше и составляет 1400 МПа, величина переходной зоны, в которой наблюдается монотонное убывание микротвердости, существенно меньше и составляет порядка 40 мкм.
Исследование шероховатости и микротвердости сформированных композитных металл-полимерных слоев
Целью исследования данной части работы является изучение контраста ИК излучения образцов в диапазоне 7-13 мкм с целью идентификации наличия и состояния фторопласта на поверхности. Идея эксперимента заключается в том, что все материалы характеризуются коэффициентом излучения, изменяющимся в диапазоне от 0 до 1. Поскольку коэффициенты излучения полимеров и металлов резко отличаются в ИК диапазоне, есть основания полагать, что контраст полимерного покрытия и поверхности титанового сплава будет выше в ИК диапазоне [139]. Для исследования были подготовлены образцы титановых сплавов і марки ВТ 1-0 и ВТ6, имеющие форму цилиндров диаметром 40 мм и высотой 10 мм двух видов: с композитным полимерным слоем и обработанные ультразвуком. Полученные образцы размещались на подогреваемой алюминиевой плите и после достижения стационарного режима визировались с помощью ИК тепловизора Therma САМ Р65. На поверхности ) образцов-, размещали отрезки ПВХ ленты, которая/служила эталоном і $ ;$» коэффициента излучения полимерного материала, относительно которого определяли коэффициенты излучения в различных участках образцов. Результат исследования полученных термограмм (рис. 4.7) показал отчетливый контраст ИК излучения поверхности образцов с композитным полимерным слоем и без него, разница между которыми составляет порядка 0,2. Так же, на поверхности титанового образца марки ВТ1-0 с композитным полимерным слоем имеется незначительный контраст порядка 0,1, по всей видимости, вызванный неравномерной толщиной нанесенного покрытия. Разницу контрастов ИК излучения образцов можно интерпретировать как изменение коэффициента излучения, а так же предположить, что значения коэффициентов излучения зависят от толщины полимерного покрытия. у І
Для исследования влияния полимерного покрытия на коэффициент трения поверхности и износостойкость образцов было подготовлено три группы образцов: образцы с полимерным композитным слоем, образцы, обработанные ультразвуковой обработкой и шлифованные образцы. Причем чистота поверхности исследуемых образцов была одного класса чистоты, чтобы избежать влияния шероховатости на коэффициент трения. Процесс изнашивания образцов производили без смазки и удаления продуктов износа из области трения. Износ оценивали по коэффициенту трения поверхности и по площади поперечного сечения трека после износа [144, 145].
На (рис. 4.8, 4.9) представлены зависимости коэффициента трения ц исследуемых образцов титана от продолжительности триботехнических испытаний.
Характер изнашивания поверхности, представленный в виде графика зависимости коэффициента трения \х от длины пробега индентора, показывает, что весь путь износа можно разделить на три участка: путь приработки (быстрое повышение коэффициента трения), путь износа модифицированного слоя (плавное повышение коэффициента трения) и путь износа основного металла (участок с установившимся коэффициентом трения).
На начальных стадиях испытаний образец из титанового сплава ВТ 1-0 с полимерным композитным слоем имеет весьма низкую интенсивность изнашивания, что характеризуется пониженным коэффициентом трения (ц 0,1...0,2). Коэффициенты трения поверхностей образцов обработанных ультразвуковым воздействием без нанесения порошка фторопласта и шлифованного заметно больше и на начальных стадиях составляют JJ, 0,35 и р, 0,45 соответственно. По мере увеличения пути износа и истирания модифицированного слоя коэффициенты трения всех поверхностей возрастают до значений, отвечающих исходному состоянию материала.
Однако коэффициент трения поверхности титанового сплава ВТ 1-0 полученный шлифованием демонстрирует также низкие значения на отрезке плавного повышения коэффициента трения. Поскольку данный сплав имеет низкую твердость и склонен к упрочнению, то данный факт можно объяснить тем, что при трении без смазочного материала происходит интенсивное пластическое деформирование поверхностных слоев контактирующих тел [16]. Степень пластической деформации при трении может достигать 10 ...10 [142]. В связи с этим можно полагать, что формирующаяся при трении структура поверхностного слоя на данном участке подобна структуре, образующейся в процессе ультразвуковой обработки. Вследствие этого энергия активации процесса разрушения без смазочного материала шлифованного материала одинаковы. Однако не исключено, что при трении образца обработанного ультразвуком твердые частички поверхности, образующиеся в результате износа поверхности, попадают в контакт и вызывают повышение коэффициента трения.
Аналогичная картина наблюдается и при исследовании титанового сплава ВТ6. На начальных стадиях испытаний образец с полимерным композитным слоем имеет весьма низкую интенсивность изнашивания (ц 0,1...0,2). Коэффициенты трения поверхностей образцов обработанных ультразвуковым воздействием без нанесения порошка фторопласта и шлифованного также заметно больше и на начальных стадиях составляют u. 0,3 и ц 0,4 соответственно. По мере увеличения пути износа и истирания модифицированного слоя коэффициенты трения всех поверхностей возрастают до значений, отвечающих исходному состоянию материала.
