Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ факторов, определяющих качество,структуру и свойства металлических покрытий, полученных газотермическим напылением 7
1.1. Материалы, используемые для нанесения покрытий полученных газотермическим напылением 7
1.2. Технические и технологические возможности газотермических методов нанесения металлических покрытий 16
1.3. Современные требования, предъявляемые к материалам и технологическим процессам для обеспечения заданных свойств напылённых покрытий 25
2. Прогнозирование свойств покрытий, на основе теоритического анализа теплофизических и физико-химических процессов при газотермическом напылении порошков 32
2.1. Теплофизическая модель газотермического процесса для расчета остаточных напряжений в покрытиях 32
2.2. Анализ динамики тепловых потоков при нанесении порошковых покрытий 50
2.3. Математическое моделирование процесса разгона газово-порошковой струи и возможности прогнозирования свойств покрытия 61
3. Структура, фазовый состав и физико-механические свойства металлических покрытий, полученных газотермическим напылением порошков 77
3.1. Методика исследований 77
3.2. Влияние исходного порошкового материала на фазовый состав и физико-химические свойства газотермических покрытий 81
3.3. Исследование микроструктуры напылённых покрытий в зависимости от материалов и режимов напыления 94
3.4. Фазовый состав и физико-химические свойства покрытий системы Co-Ni-Cr-Al 103
3.5. Исследования механических свойств покрытий, нанесенных различными методами 110
3.6. Управление структурно - фазовыми процессами при напылении покрытий 120
3.7. Повышение свойств напыленных покрытий поверхностным оплавлением 131
4. Экспериментальные исследования эксплуатационных свойств изделий с износостойкими и защитными напыленными покрытиями 148
4.1. Износостойкость порошковых газотермических покрытий в зависимости от структурно-фазового состава 148
4.2. Исследование свойств коррозионностойких плазменных защитных покрытий 155
4.3 Усталостные свойства деталей из никелевых сплавов и сталей с плазменными покрытиями 170
4.4 Длительная прочность стальных изделий с поверхностными металлизированными покрытиями 175
4.5. Испытание на термоусталость никелевых жаропрочных сплавов с плазменным покрытием.
5. Разработка технологических процессов и оборудования для нанесения покрытий с заданными свойствами 190
5.1. Влияние кинематических факторов на толщину и качество напылённых материалов 190
5.2. Разработка оборудования для реализации техрюлогических процессов в различных отраслях промышленности 197
5.3. Контрольно - измерительные системы для мониторинга и дистанционной диагностики качества напыленных материалов 215
5.4. Системный подход к организации производства газотермического нанесения покрытий с заданными свойствами 227
5.5. Технико-экономическая эффективность рациональных способов упрочнения и восстановления деталей 235
6. Производственное использование газотермического упрочнения и восстановления деталей и конструкций 242
6.1. Запорная аппаратура, используемая на предприятиях жилищно-коммунального сектора, в энергетике и нефтехимической промышленности 248
6.2. Восстановление валов, корпусов и штоков насосов и компрессоров 250
6.3. Использование газотермических покрытий в подшипниках скольжения различного назначения 251
6.4. Электропроводные покрытия для деталей низковольтной аппаратуры
Общие выводы 256
Список использованной литературы ~
Приложения ^'
- Технические и технологические возможности газотермических методов нанесения металлических покрытий
- Анализ динамики тепловых потоков при нанесении порошковых покрытий
- Исследование микроструктуры напылённых покрытий в зависимости от материалов и режимов напыления
- Усталостные свойства деталей из никелевых сплавов и сталей с плазменными покрытиями
Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение надежности современной техники, обеспечение ее конкурентоспособности, а также продление ресурса машин и оборудования и их реновация до уровня новых изделий являются весьма актуальной проблемой современного производства.
Одним из наиболее приоритетных и кардинальных путей решения этих проблем является нанесение на поверхности деталей и конструкций защитных покрытий, хорошо сопротивляющихся вредным внешним воздействиям.
Используя существующие и разрабатывая новые материалы и технологии газотермического напыления, возможно уменьшить или исключить полностью отрицательное влияние таких процессов, как изнашивание, эрозия, коррозия (в т.ч. высокотемпературная), кавитация и др. Защитные покрытия могут быть с высоким эффектом использованы для создания термобарьеров, обеспечения электроизоляционных свойств, поглощения излучения продуктов радиоактивного распада, обеспечения определенных оптических свойств, реализации селективного смачивания, создания биологически активных поверхностных свойств для различных искусственных органов и многое другое.
В промышленно развитых странах освоение техники газотермического напыления стимулируется для решения экологических проблем за счет интенсивного вытеснения гальванических и других экологически вредных технологий, из промышленного производства и замены их на практически безвредные газотермические покрытия. Сложившаяся ситуация в промышленности России в последние годы приводит к необходимости внедрения в производство технологий газотермического напыления, их адаптации применительно к условиям работы промышленных и ремонтных предприятий, а также к необходимости подготовки кадров для широкого применения газотермических методов.
Сверхнормативная изношенность (до 80%) оборудования отечественных предприятий, возможность техногенных катастроф и другие негативные процессы, связанные с недостаточной надежностью технических систем, во многом могут быть предотвращены в результате использования газотермического напыления, как одной из наиболее эффективных упрочняющих и ремонтных технологий, позволяющих многократно повысить долговечность машиностроительной продукции и обеспечить полное восстановление геометрии и работоспособности большинства изношенных деталей.
Вышеизложенное позволяет заключить, что тема настоящей диссертационной работы, посвященной комплексному исследованию процессов газотермического напыления и созданию новых высокоэффективных защитных покрытий, является актуальной.
Цель работы. Научное обоснование и разработка технологических процессов нанесения покрытий с заданными свойствами на металлических изделиях методами газотермического напыления порошков для повышения их надежности и эффективного восстановления.
В соответствии с целью в работе были поставлены и решались следующие задачи:
– анализ и систематизация факторов, определяющих свойства газотермических покрытий и формулирование требований к структуре и фазовому составу покрытий, обеспечивающих повышенный уровень этих свойств;
– теоретическое исследование и моделирование процессов, происходящих при газотермическом напылении порошков на различные поверхности для выявления закономерностей влияния теплофизических и динамических параметров газопорошковой струи на качество покрытий (прочность сцепления с подложкой и уровень внутренних напряжений);
– исследование механизма и кинетики формирования структуры и фазового состава газотермических покрытий в зависимости от материалов и режимов напыления;
– установление закономерностей влияния структурно-фазового состава газотермических покрытий на их физико-механические свойства и разработка принципов управления структурно-фазовым состоянием покрытий в процессе их нанесения;
– исследование эксплуатационных свойств износостойких и специальных защитных покрытий в зависимости от их структурно-фазового состава и режимов газотермического напыления;
– оптимизация выбора технологических процессов газотермического нанесения покрытий для конкретных изделий и обновления требований к технологическому оборудованию для реализации этих процессов;
– производственная проверка разработанных методов получения газотермических защитных покрытий и определение их эффективности.
Научная новизна:
– разработаны новые способы и технологии получения защитных покрытий различного назначения на основе современных порошковых материалов и высокоскоростных газотермических процессов;
– впервые исследовано тепловое и газодинамическое взаимодействие газопорошковой струи с подложкой при высокоскоростном нанесении покрытий;
– разработаны математические модели оценки остаточных напряжений в покрытиях в зависимости от их структурно-фазового состава и режимов напыления;
– обоснованы методы релаксации напряжений в напыленных покрытиях и методы повышения прочности сцепления напыленного материала с подложкой;
– установлены закономерности влияния температурно-скоростных характеристик газовой струи на формирование структуры напылённых порошковых покрытий;
– исследовано влияние структуры и фазового состава газотермических покрытий на их физико-механические и эксплуатационные свойства и установлены требования к структурам покрытий различного назначения;
– выявлено влияние исходных порошковых материалов и режимов их газотермического напыления на структуру и свойства покрытий;
– разработана методика выбора рациональных методов нанесения газотермических покрытий применительно к условиям мелкосерийного и массового производства и определены требования к организации современного наукоёмкого производства по упрочнению и восстановлению деталей газотермическим напылением.
Объектом исследования являются порошковые покрытия, полученные газотермическим напылением.
Методы исследований и достоверность полученных результатов.
Для проведения исследований разработан и применен ряд новых оригинальных методик по оценке прочности сцепления покрытий с основой, по испытанию на износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную и длительную прочность. В работе использовался комплекс современных методик металлофизических исследований, что позволило получить достоверные экспериментальные результаты.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современных математических методов, использованием новейшего лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов для исследования структуры и состава напыленных покрытий, одобрением научной общественности, практической реализацией и внедрением разработанных научных и технических решений.
Научные положения, выносимые на защиту:
– результаты исследования влияния исходных материалов и режимов газотермического напыления на структуру, фазовый состав и свойства защитных покрытий;
– математическая модель, описывающая факторы, влияющие на температуру и скоростные характеристики факела, при высокоскоростном напылении, а также процессы, протекающие при напылении, как в струе, так и на поверхности подложки;
– математическое описание процессов образования структуры и остаточных напряжений при формировании покрытия;
– концептуальный подход к проблеме создания технологии и организации производства газотермического напыления и создания обобщающей концептуальной модели применения различных методов газотремического напыления;
– методы управления свойствами покрытий за счёт варьирования технологических параметров при их нанесении;
–технологический процесс нанесения керамических покрытий на тонкостенные детали;
– организация современного производства по нанесению покрытий газотремическими методами, позволившего обеспечить потребности авиации, энергетики, химической, нефтеперерабатывающей и добывающей промышленностях и других отраслях народного хозяйства.
Практическая ценность работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические процессы газотермического напыления покрытий различного назначения с улучшенными механическими свойствами, в том числе сверхтолстые покрытия и покрытия на тонкостенных изделиях без деформации последних.
В результате проведенной работы внедрены газотермические покрытия в нефтепереработке и нефтехимии, целлюлозно-бумажной, газовой промышленности, энергетике, сервисном обслуживании предприятий жилищно-коммунального хозяйства, автосервисе и других отраслях.
Созданы и осваиваются производственные участки по нанесению покрытий на ремонтных и серийных заводах различных отраслей. Создан научно-производственный комплекс по разработке и производству современного оборудования по нанесению газотермических покрытий и материалов для напыления.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных конференциях (Лондон, 1989 г.; Ессен, Германия, 1990 г.), на всесоюзных конференциях и семинарах: «Физика и химия твердого тела» (Благовещенск, 1988 г.), «Коррозионно-стойкие жаропрочные сплавы и защитные покрытия для транспортных ГТД» (Николаев, 1986 г.), на отраслевых совещаниях: «Плазменные жаростойкие покрытия лопаток ГТУ» (Ленинград, 1989 г.), научно-технических межотраслевых семинарах: «Теория и практика применения газотермических защитных покрытий в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, нефтедобывающей промышленности при изготовлении и ремонте основного технологического и вспомогательного оборудования» (Москва, 2001 г.), «Внедрение современных технологий газотермических защитных покрытий при изготовлении деталей и восстановительном ремонте основного и вспомогательного оборудования целлюлозно-бумажных предприятий» (Москва, 2001 г.), «Теория и практика применения газотермических защитных покрытий при изготовлении и ремонте основного и вспомогательного оборудования предприятий металлургического комплекса» (Москва, 2001 г.), «Применение в Мосэнерго технологических защитных покрытий» (Москва, 2002 г.).
Работы по созданию новых видов производственного оборудования выполнялись в рамках государственных программ, в том числе ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники».
Разработанные оборудование и технологические процессы внедрены на различных предприятиях, в том числе: на астраханском газоперерабатывающем заводе, в ООО «Альметьевск Алнас-Сервис», ОАО «Волгабурмаш», ОАО «Нелидовский завод пластмасс», ЗАО «Московский завод высоковольтной аппаратуры», ОАО «Сургутнефтегаз» и др., с общим экономическим эффектом более 5 млрд. рублей.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 52 публикациях, в том числе в 14 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК, одной монографии, авторских свидетельствах и патентах, материалах международных и Российских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 309 страницах и состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 158 наименований и приложений.
Технические и технологические возможности газотермических методов нанесения металлических покрытий
К настоящему времени разработано и более или менее широко используется в промышленности и ремонтном производстве большое количество методов напыления металлических покрытий [38,43,113,125,129,176,182]. Эти методы различаются по источникам получения тепла (электрическая дуга или газовое пламя); по виду распыляемого материала (порошок, проволока и др.); по скорости распыляемых частиц и по среде, в которой происходит процесс нанесения покрытия (воздух, вакуум, контролируемая атмосфера и др.). На рис. 1.4 представлена классификация всего разнообразия методов газотермического напыления.
Газопламенное напыление производится с использованием в качестве источника тепла кислородно-ацетиленового пламени. Скорость сгорания ацетилена в кислороде составляет 10... 12м/с, что позволяет получать достаточно высокую производительность процесса. В последнее время все шире стали применяться заменители ацетилена: пропан, этилен, метан, водород и др.
Распыление расплавленного газовым пламенем материала (присадочной проволоки) производится струей воздуха, подаваемого под давлением в распылительную головку. Воздух ускоряет и дополнительно дробит частицы (капли) напыляемого материала и переносит их на подложку. Дистанция напыления при газопламенном процессе составляет примерно 50мм.
Современные проволочные газопламенные распылители (например типа MDP-115) имеют электропривод для подачи проволоки и работают на проволоке диаметром 3...3,17мм из различных материалов: алюминия; меди, цинка, молибдена, олова, свинца, углеродистых и легированных. (коррозионностойких) сталей, латуни, бронзы, баббитов, сплавов на никелевой и кобальтовой основах.
Производительность газопламенного напыления по цветным металлам достигает 15кг/ч, по сталям и сплавам -до 9 кг/ч. Плотность напыленных покрытий достигает 85...95% от плотности соответствующего материала, полученного традиционным металлургическим путем.
Газопламенное напыление порошков было достаточно широко распространено в прежние годы, однако оно не всегда обеспечивало приемлемое качество покрытий, особенно их связь с основой [112, 172, 208]. В порошковых распылителях струя порошка перемешивается в воздушном потоке кольцевым факелом пламени и происходит теплообмен в газопорошковой смеси. Частицы порошка нагреваются до температуры плавления и переносятся на подложку.
Порошковые установки предназначались, в основном, для нанесения самофлюсующихся порошков, хотя были распылители и для нанесения легкоплавных покрытий, для напыления тугоплавких материалов и даже пластмасс [29,34,55,74-77,111].
В настоящее время на смену устаревшим технологиям порошкового напыления приходит шнуровое газопламенное напыление, при котором в качестве материала для покрытия используются специальные гибкие шнуровые материалы (ГШМ) вместо присадочной проволоки. Эти материалы представляют собой на органической связке порошки, заключенные в оболочку из органического материала.
Преимущество этого метода перед непосредственной подачей порошков заключается в создании условий для гарантированного расплавления порошка и в равномерности процесса напыления. Чистоту и защиту от окисления воздухом напыляемого материала обеспечивает возгоняющееся полимерное связующее.
Для напыления ГШМ может быть использовано стандартное оборудование, предназначенное для проволочного напыления (Metco-12E, МГИ-4, МДР-4 и др.). Наиболее совершенной является установка «Техникорд -ТОП-ЖЕТ/2» (Россия), которая предназначена для распыления ГШМ диаметром от 3 до 5мм.
Для увеличения прочности и плотности напыленных покрытий фирмой Union Carbide (UC) США в 50-х годах был разработан высокоскоростной метод нанесения покрытий, который получил название детонационное напыление. Скорость истечения газов на срезе ствола длиной 1,4 м составляла 1300?м/с. Плотность покрытий была доведена до 98%. Главным недостатком процесса напыления на детонационной установке была низкая производительность, связанная с дискретным режимом работы [6,32,47,60,92].
Сущность процесса детонационного напыления заключается в следующем. В канал ствола через механизм подачи газов подается горючая смесь и порошковый материал, который распределяется в газовой смеси. С помощью искровой свечи смесь поджигается. Скорость горения в длинном канале ствола увеличивается до скорости детонации смеси. Детонационная волна ускоряет порошок до скорости 400...800 м/с (скорость пули). Выносимые продуктами детонации на поверхность подложки частицы соударяются с ней, образуя плотное покрытие. Толщина покрытия составляет 3...15 мкм.
Ствол и камера смешения газов продуваются азотом, затем они наполняются новой порцией взрывчатой смеси (ацетилен+кислород) и порошка и цикл повторяется. В зависимости от конструкции установки частота циклов может достигать 3...10 Гц. Нагрев частиц до пластического состояния в сочетании с приобретаемой значительной кинетической энергией позволяет получать покрытия с высокой прочностью сцепления (до ПО МПа) и низкой пористостью (менее 2%), что является главным преимуществом процесса.
Анализ динамики тепловых потоков при нанесении порошковых покрытий
Напыленные и оплавленные покрытия приобретают свойства, существенно отличающиеся от свойств исходного материала [193-204]. Свойства материалов определяются его структурой и фазовым составом. При изучении газотермических покрытий определяются следующие характеристики: - зерно, частица, слой - их размер, форма, ориентация, а также тип и характер границ между ними; - фазовый состав - число и характер присутствующих фаз, относительное количество каждой фазы, их расположение относительно друг друга и по толщине покрытия. Наиболее широко используемым методом исследования структуры металлических материалов, полученных различными способами, является исследование плоскости полированных шлифов в отраженном свете, которое состоит из следующих этапов [53]: - приготовление шлифов; - изучение структуры нетравленых шлифов; - травление шлифов; - исследование фазового состава и структуры на микроскопе. Основой микроскопического исследования является приготовление шлифа. На подготовленном образце следует получить совершенно плоскую поверхность шлифа. Производится шлифовка и полировка образца. Шлифовка производится на шлифовальных кругах в несколько этапов с переходом от бумаги с крупным к бумаге с мелким абразивным зерном. Вслед за шлифовкой производится полировка, предназначенная для удаления мелких и мельчайших неровностей на поверхности шлифа. Наиболее распространенной является механическая полировка с помощью паст (глинозем, магнезия или алмазный порошок) на полировальной подложке. Ознакомление со структурой исследуемого материала ведется на полированных нетравленых шлифах при малых увеличениях микроскопа, что позволяет составить общее представление о структуре, наличии и распределении дефектов. Для проведения микроскопических исследований используют образцы после химического травления. Основным результатом травления, обусловленным структурой металла, является вытравливание границ и поверхности зерна. При травлении поверхности кристаллы зерна имеют цветную или черно-белую окраску различной тональности. Получаемое различие в рельефе и шероховатости поверхности позволяет установить разницу между присутствующими фазами. Иногда фазы, присутствующие в материале, не могут быть определены с помощью их оптических свойств, тогда установление их присутствия и идентификация осуществляется с помощью избирательного травления. Для каждого типа материала подбираются подходящие химические реагенты и метод травления. Микроскопические исследования проводились на микроскопах ММР-4 и МИМ- 8 при увеличении 75х, 100х, 150х, ЗООх и 500х. Образцы, предназначенные для металлографического исследования разрезались на электроискровом станке, а не наждачным кругом, чтобы не было деформации структуры. Залитые сплавом Вуда в обоймы образцы после шлифовки и полировки подвергались электролитическому травлению. В качестве травителей использовали для сплавов с высокой концентрацией кобальта 10% раствор щавелевой кислоты: образцы из никелевого сплава травились в 10% серной кислоте: для сплавов с высоким содержанием хрома и никеля применялась концентрированная азотная кислота. Травление во всех случаях проводилась при напряжении 5-10В, время травления от 2 до 15с. Для выяснения тонкой структуры покрытия использована электронная микроскопия с анализом распределения элементов с помощью характеристического рентгеновского излучения (LINK) напыленных покрытий. Химический анализ Для определения состава полученных сплавов проводился химический анализ эмиссионно - спектральным методом из растворов. В некоторых случаях (образцы с низким содержанием А1 и высоким Cr, Ni) при трудности размельчения образцов применялся атомно — абсорбционный метод с электродуговым диспергированием в среде изопропилового спирта. Ошибка определения содержания элементов составляла 0,1 относит. % (по каждому элементу). Рентгенофазовый анализ. Рентгенофазовый анализ проводился для определения фазового состава оксидных пленок на поверхности образца, а также фазового состава напыленных покрытий. Съемка проводилась на дифрактометре ДРОН — ЗМ в хромовом или кобальтовом излучении. При использовании метода порошка, порошок, полученный соскабливанием алмазным надфилем, подвергали двухчасовому отпуску при 1000С в вакууме 1,33-10"3 Па. Микроренгеноспектральный анализ. В данном этапе работы рентгеноспектральный анализ использовался для определения состава фаз некоторых образцов и выполнялся на микроанализаторах «Сатеса» и «Camebax». Определение твердости и микротвердости Способы оценки твердости позволяют относительно дешево, быстро и почти без разрушений испытуемого материала определить его характеристику, с помощью которой можно произвести оценку износостойкости материала покрытия [201]. Наибольшее распространение для определения твердости получили методы, основанные на пластическом вдавливании малодеформирующегося наконечника (индентора), имеющего различную форму: шарика, конуса, пирамиды и др. В работе использовались исследования макро- и микротвердости. Макротвердость определяется на приборах Бринелля, Роквелла и Виккерса. Методом Бринелля, основанном на вдавливании стального шарика, можно испытывать материалы с твердостью, не превышающей 450 кгс/мм . На приборах Роквелла и Виккерса можно испытывать практически все материалы от самых мягких до алмаза включительно. В методе Роквелла в зависимости от твердости испытываемого материала применяют два типа наконечников: стальной шарик для измерения твердости при суммарной нагрузке 100 кгс (шкала В) или алмазный конус с углом при вершине 120 + 30 и радиусом закругления в вершине конуса 0,200 + 0,005 мм для измерения твердости методов при суммарной нагрузке 150 кгс (шкала С) и 60 кгс (шкала А): Толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка, расстояние от центра отпечатка до края образца и между центрами отпечатков должно быть не менее 3-4 мм. Микротвердость определялась лишь на некоторых сплавах для выявления диффузии кислорода в процессе их окислительного отжига. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ- 3 при различных нагрузках.
Исследование микроструктуры напылённых покрытий в зависимости от материалов и режимов напыления
Как видно из таблицы, наибольшая степень растворения карбидов в никеле, судя по параметру сі, достигается при получении порошка методом сфероидизации, т.е. при высокой температуре. Все другие методы предполагают более низкую температуру процесса получения защитной металлической оболочки на поверхности карбидных частиц. Во время напыления покрытия процесс растворения продолжается, на что указывает увеличение параметра (Л. Это происходит за счет растворения некоторых количеств карбида вольфрама в никеле или кобальте. Большей степени искажения кристаллической решетки соответствует более насыщенный твердый раствор, и, следовательно, большая прочность "адгезии, а также микротвердость металлофазы и общий уровень твердости покрытия. В таблице 3.2. приведены значения ширины дифракционной линии (111) никелевой фазы на половине ее высоты. Результаты измерений показывают, что наблюдается сильное уширение дифракционных линий в покрытиях в сравнении с исходными порошками. Дифракционные линии твердого раствора у всех покрытий асимметричны. Со стороны меньших углов отражения они имеют более пологий спад. Поэтому значения ширины линии В(1И) на половине ее высоты со стороны меньших углов имеют большие значения, чем В (Ш) со стороны больших углов. Значения отношений В (ці)/ В (ці), приведенные в таблице 3.2, характеризуют степень асимметрии дифракционной линии (111) твердого раствора на основе никеля для исследовавшихся покрытий. Асимметрия дифракционных линий твердого раствора свидетельствует о его неоднородности по концентрации. Чем больше отношение В (и і/ В"(Ш) , тем больше неоднородность твердого раствора. Наибольшая неоднородность наблюдается у покрытий из механической смеси WC и Ni, наименьшая — у покрытий из сфероидизированного порошка. В связи с этим использование в качестве исходных порошков механических смесей является наименее приемлемым. Применение плакированных порошков, благодаря металлической оболочке, позволяет затормозить процесс распада монокарбида. Однако с помощью рентгеноструктурного анализа небольшие количества (следы) W2C, W, C03W3C были зарегистрированы и в покрытиях из плакированных порошков. Последнее говорит о том, что в процессе разгона частицы порошка в стволе металлическая оболочка при достижении ею температуры плавления может сдуваться потоком газов или испаряться и часть карбидов может быть подвергнута окислительному воздействию продуктов детонации и воздуха. Следует отметить, что данные фазы обнаруживаются и в сфероидизированном порошке ВК. Очевидно, что частичное обезуглероживание может протекать уже на стадии получения порошка, несмотря на защитную среду водорода в печи, так как сам процесс сфероидизации высокотемпературный. При изучении свойств сфероидизированного порошка было установлено, что с увеличением температуры в водородной печи выше допустимой или при попадании в печь некоторого количества кислорода, количество rji — фазы возрастает. Во время напыления обезуглероживание продолжается. При недостатке углерода в процессе формирования покрытия количество Г[\- фазы возрастает еще более, что в некоторых случаях приводит к резкому снижению величины адгезии. Внешним признаком перегретого при сфероидизации порошка является почти 100%-ное содержание в нем сферических частиц, в то время как в нормальном порошке 50% частиц размером до 60 мкм имеют неправильную округлую форму. При помощи спектрального эмиссионного анализа было обнаружено, что в перегретом сфероидизированном порошке содержится в 2 раза меньше углерода по сравнению с нормальным порошком. Такое же соотношение было установлено и в соответствующих покрытиях, полученных из перегретых и нормальных порошков. В результате рентгеноструктурных исследований этих порошков и покрытий также установлена значительная разница в относительном содержании хрупких фаз: C03W3C, W C, а также вольфрама. На рис. 3.7. - 3.10. представлены дифрактограммы нормального и бракованного (перегретого) порошка ВК-25М и покрытий из них. Напыленные покрытия приобретают свойства, существенно отличающиеся от свойств исходного материала. Которые во многом определяются структурой покрытий. При изучении структуры покрытий определяются следующие характеристики: 1. Размеры и форма металлических зерен в покрытии, их ориентация, а также тип и характер границ между ними; 2. Фазовый состав - число и характер присутствующих фаз, относительное количество каждой фазы, их расположение относительно друг друга и по толщине покрытия. Были исследованы образцы с покрытиями, напыленными наиболее перспективными методами — плазменным напылением (APS) и высокоскоростным (HVOF) методом. В качестве исследуемых материалов выбраны характерные материалы износостойких, корозионностойких, антифрикционных и теплозащитных покрытий. В качестве материалов для износостойких покрытий используются самофлюсующиеся сплавы Ni-Cr-B-Si, интерметаллиды AINi, TiNi, композиции на основе карбидов и ряд других материалов с высокой твердостью. Самофлюсующиеся сплавы Ni-Cr-B-Si, интерметаллиды и комозиции на их основе с успехом напыляются как плазменной струей, так и высокоскоростным методом. На рис.3.11 представлены микрофотографии образцов, напыленных методами APS и HVOF. На исследованных образцах граница раздела «покрытие-основа» отсутствует и может быть обнаружена только по различию цветов, отслоения покрытия от основы не наблюдалось.
LINK4 Усталостные свойства деталей из никелевых сплавов и сталей с плазменными покрытиями LINK4
По расположению и строению линий можно было предположить, что в структуре покрытия имеются, по крайней мере, две фазы на основе никеля с одинаковым типом кристаллической решетки и с настолько близкими межплоскостными расстояниями, что происходит наложение дифракционных линий обеих фаз.
Появление в покрытии вместо чистого никеля других фаз можно объяснить условиями напыления. Основной особенностью нанесения данного покрытия являлось применение рабочей смеси с избытком ацетилена что создало среду, в которой содержится свободный углерод. В такой среде в области температур 1350 С становится возможным процесс частичного восстановления алюминия из окисла.
Данные по микроструктуре и микротвердости покрытия показали, что в металлической составляющей имеются соединения с более высокой микротвердостью, чем у никеля. В виду возможности появления в покрытии алюминия, вероятнее всего образование новых соединений в системе Ni - А1. Из диаграммы состояния Ni - А1 следует, что в данных условиях можно ожидать появления твердого раствора алюминия в никеле и интерметаллида №зА1. Анализ дифрактограмм показал, что в облучаемом при съемках объеме покрытия присутствуют одновременно микрозоны, содержащие чистый никель, никель с небольшими добавками алюминия, а также фазу №зА1. Эта фаза при стехиометрическом составе (25 ат. % А1) имеет тетрагональную кристаллическую решетку. По-видимому, в связи с недостаточным количеством восстановленного алюминия в исследуемых образцах ее состав смещен по алюминию в сторону недостатка последнего, в связи, с чем степень тетрагональности ее настолько понижается, что она может быть. описана индексами кубической решетки (псевдокубическая форма). Эта псевдокубическая структура проявляется весьма отчетливо, что говорит о заметном ее количестве. Количество фазы со структурой стехиометрического состава невелико.
Таким образом, в покрытии из плакированного порошка благодаря развитой поверхности контакта между расплавленным никелем и корундом в условиях восстановительной среды появляется возможность взаимодействия между компонентами покрытия. Дополнительное выделение тепла при экзотермической реакции взаимодействия алюминия с никелем, которая более полно протекает во времени, может способствовать повышению температуры в зоне контакта покрытия с подложкой. По-видимому, за счет этого эффекта, а также и увеличения площади контакта покрытия с подложкой по металлофазе прочность сцепления покрытия из А12Оз + 50%Ni достигает 59-60МПа.
Окись алюминия в данном покрытии сохраняет а - модификацию частиц исходного порошка и высокую микротвердость ( 16000 МПа). Однако, общая микротвердость покрытия не превышает 6000 МПа из-за невысокого содержания в нем окиси алюминия. В связи с этим было исследовано покрытие, напыленное в восстановительном режиме из плакированного порошка с 30% Ni. Микроструктура покрытия приведена на рис. 3.236. Она аналогична микроструктуре покрытия с 50% никеля, но в покрытии больше оксида алюминия. В белой фазе также имеются участки с двумя уровнями микротвердости: 2000-3000 и 4300-6200 МПа. Рентгеноструктурным анализом также обнаружены линии твердого раствора на основе никеля и №зА1. При этом среднее содержание алюминия в никелевом твердом растворе, полученное расчетом, исходя из геометрической модели, в зависимости от периода кристаллической решетки раствора замещения Ni -А1 составляет 8 ат. %, а в составе покрытия с 50% никеля это содержание равно 2,4 ат.%. По данным микроструктурного и рентгеноструктурного анализов, в покрытии с 30% никеля в металлической составляющей в большей мере происходят изменения, связанные с взаимодействием никеля с алюминием, чем в составе с 50% никеля. Общая микротвердость покрытия достигает 7000-8000 МПа. Окись алюминия в
130
покрытии присутствует в виде двух модификаций: гексагональной а-А12Оз и высокотемпературной кубической у-А12Оз- Следовательно, прогрев оксида алюминия при 30% никеля в порошке более значительный, чем при 50% никеля. Прочность сцепления с подложкой покрытия из плакированного порошка оксида алюминия с 30% никеля при напылении в восстановительном режиме составила 32 — 45 МПа, что в 2 раза выше, чем в окислительном режиме, и несколько ниже, чем у покрытия с 50% никеля в восстановительном режиме.
Проведенные исследования показали, что оптимальными по структуре и свойствам являются покрытия, полученные на восстановительном режиме из плакированной окиси алюминия с 30% никеля. Однако при частичном восстановлении АЬОз и уменьшении в результате этого его содержания в покрытии снижается общий уровень твердости покрытия. Этот недостаток отсутствует при напылении такого же порошка в окислительном режиме, но при этом получается ниже прочность сцепления с подложкой. Таким образом, при напылении порошка одного и того же состава, меняя соотношение расходов газов рабочей смеси, можно получать слои с различной структурой и свойствами. Это обстоятельство может быть использовано для получения покрытия с переменной структурой по толщине слоя, в котором реализуются положительные свойства покрытий получаемых при разном газовом режиме напыления, а именно: вначале напыление ведется на восстановительном режиме (QCH / QPl 0,8), при котором формируются слои, имеющие более прочное сцепление с подложкой. По мере роста толщины слоя, постепенно, непрерывно изменяя соотношение расходов газов в рабочей смеси, переходят к окислительному режиму напыления (Qc2H2 / Q 0,5), при котором образуются слои с более высокой твердостью. На рис.3.26. показан вид покрытия с переменной структурой по сечению.
