Введение к работе
12*53 .
Актуальность темы.
Развитие современной техники предъявляет всё более жесткие требования к материалам, работающим в условиях высоких температур, давлений, скоростей, деформации, агрессивных сред и т.д. Использование методов порошковой металлургии и нанесения многофункциональных покрытий при создании новых материалов позволяет обеспечить оптимальное сочетание структурных и рабочих характеристик. При этом обеспечивается минимум потерь металла, снижается себестоимость изделий. Среди материалов, получаемых методом порошковой металлургии, особый интерес представляют используемые в различных отраслях техники порошковые титановые сплавы.
Однако использование спеченного титана и его сплавов в условиях повышенных температур, знакопеременных нагрузок и агрессивных сред в качестве материала для деталей трения крайне ограничено из-за низкой износо и корози-онной стойкости. Решение этой проблемы видится в защите поверхностного слоя данных материалов нанесением неорганических покрытий. Известно много различных методов повышения износо, коррозионной стойкости монолитного титана и его сплавов.
Следует отметить, что многие из методов нанесения покрытия могут быть применены и для порошковых материалов. Хотя при эксплуатации преимущественно проявляется какой-то один основной вид повреждения или разрушения покрытий, не следует забывать, что они чаще всего находятся под воздействием нескольких одновременно действующих разрушающих факторов. Поэтому основным типом покрьпий становятся многоцелевые покрытия, разработке которых сейчас уделяется всё больше внимания. Создание достаточно универсальных покрытий, удовлетворяющих одновременно комплексу требований, часто противоречивых, является одной из наиболее трудных задач металловедения в настоящее время и в будущем.
Одним из универсальных и доступных методов нанесения покрьпий является электроискровая обработка, к которой относятся: электроискровое легирование (ЭИЛ) и его разновидность - локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭНП). В сочетании с последующей финишной (выглаживание) обработками можно получать многоцелевые "гибридные" покрытия, создавая композицию, где порошковая основа из материалов на основе титана принимает главную нагрузку, а многослойное покрытие на ней обеспечивает заданные служебные характеристики.
Учитывая, что нанесением многоцелевых покрытий можно увеличить срок службы деталей и обеспечить им ряд других дополнительных полезных характеристик, эта технология может стать одним из главных направлений развития в получении изделий из порошкового титана и сплавов на его основе.
Несмотря на обширные исследования, выполненные за последние 20-30 лет в области порошковой металлургии и напыления покрытий, ещё многие принципиально важные вопросы экспериментального и теоретического плана в этом направлении далеки от своего разрешения и требуют дальнейшего изучения.
ІЛЬИА» ] КА I
РОС НАЦИОНАЛЬНА»] БИБЛИОТЕКА
Исследование и разработки в области создания многофункциональных покрытий, в которых объединяются возможности различных технологий, являются резервом на пути создания научно-обоснованных методов и способов по созданию новых композиционных материалов.
Поэтому исследования по разработке новых и усовершенствованию уже имеющихся спеченных титановых сплавов с покрытиями; вопросы оптимизации составов порошков и покрытий, технологий прессования и нанесения покрьпий, спекания и термообработки, несомненно, интересны в научном плане и являются востребованными отечественной промышленностью.
Таким образом, исходя из существующих на этот момент реалий и исходя из вышесказанного, тема диссертации, несомненно, актуальна
Работа выполнена в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ по "Реализации региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района", а также при финансировании Грантов Президента РФ молодым российским ученым МК 952.2004.8 и МК 1051.2004.8.
Целью работы является повышение ресурса порошковых деталей посредством разработки композита из спеченного титанового сплава (ТІ2 А12Мо) с многоцелевым электроискровым покрьпием, режимов его термоциклической обработки.
Для реализации указанной цели в работе поставлены и решены задачи:
Исследовать титановые порошки, технологию процессов производства спеченных образцов из порошков титана и трехкомпонентную композицию на их основе (Ti-Al-Mo); изучить структуру, пористость, физико-механические свойства и характер разрушения.
Для сплава Ti2A12Mo разработать оптимальный режим холодного прессования и спекания, обеспечивающие минимально возможную пористость и повышенные физико-механические характеристики. Методом математического планирования эксперимента выявить оптимальный режим изотермического выдавливания порошкового сплава с одновременной реализацией более высоких его свойств.
Изучить закономерности консолидации порошковых титановых сплавов, исследовать кинетику уплотнения, особенности формирования макро, микро - и субмикроструктуры в процессе термоциклической обработки (ТЦО) и предложить возможные пути регулирования структурных и субструктурных изменений.
Разработать конструкцию и технологию локального электроискрового нанесения самофлюсующихся покрьпий системы Ni-Cr-Si-B-C на спеченный титановый сплав Ti2A12Mo, обеспечивающую регламентированную структуру покрытий и повышение основных показателей конструктивной прочности, долговечности и качества композиционного материала.
Исследовать влияние технологических факторов ЛЭНП на структуру, фазовый состав, морфологию поверхности, характер распределения элементов, их адгезионную прочность и защитные свойства электроискровых покрытий. Оптимизировать режимы ЛЭНП методами математического планирования эксперимента
6. Исследовать влияние режимов выглаживания синтетическим алмазом и минералокерамикой на структуру поверхностного слоя покрытия, морфологию
поверхности, качества (шероховатость и пористость), внутренние напряжения и микротвердость.
Научная новизна.
Установлены закономерности формирования структуры и пористости от режимов холодного прессования и спекания, а также режимы изотермического выдавливания, для которого методом математического планирования эксперимента оптимизированы режимы. Проведены фрактографические исследования характера разрушения спеченных порошков титана и а - псевдосплавов на его основе Ti2A12Mo, а также исследования их механических свойств.
Показано, что в результате термоциклической обработки (ТЦО) - многократных а <-» Р переходов в псевдо - а - сплаве Ti2A12Mo образуется стабильная полигонизованная структура с углами разориентации от 50 до 2,5-3, приводящая к повышению значений характеристик вязкости разрушения, длительной и усталостной прочности. Увеличение указанных характеристик обусловлено созданием при ТЦО "полупроницаемых" для дислокаций и линий скольжения субграниц, замедляющих процесс зарождения и распространения трещин.
Впервые исследован процесс нанесения электроискровых покрытий из самофлюсующихся сплавов Ni Сґів Si« B« Сю,5 на спеченный сплав Ті2А12Мо. Методом математического планирования эксперимента оптимизированы режимы ЛЭНП по эрозии и адгезионной прочности.
Исследовано положительное влияние выглаживания синтетическим алмазом АСПК и минералокерамикой ВОК60 и ВОК70 электроискровых покрьпий нанесенных на спеченный сплав Ті2А12Мо. Показано, что выглаживание уменьшает уровень растягивающихся напряжений за счет наведения сжимающих и значительно повышает качество поверхности (Ra = 0,3... 0,5 мкм).
Методы и объекты и исследования. В качестве основных объектов изучения в работе бьши титановые порошки, спеченный титан и сплав на его основе Ti2A12Mo; электродный материал для самофлюсующегося сплава, близкого по составу Ni Сґів Si4-2 В4-2 С 1-0,3 в % по массе.
Для исследования структуры, фазового состава, характера разрушения сплава, покрытия и в целом композита использавались общепринятые методы; световой и количественной металлографии ("МИМ-8", "ЭПИКВАНТ"), рентгено-структурного ("Дрон-ЗМ" и "УРС-60") и микрорентгеноспектрального ("МАР-2" и "Самека") анализов.
Механические испытания проводились по стандартным и оригинальным методикам. Численная реализация расчетов выполнялась на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ.
Основные положения, выносимые на защиту.
Технические и технологические решения получения композиционного материала, заключающиеся в целенаправленном воздействии на процесс консолидации порошкового тела на стадиях прессования и спекания; формирования электроискрового покрытия из самофлюсующего сплава, методом ЛЭНП.
Экспериментальные исследования влияния основных технологических факторов прессования, спекания на кинетику уплотнения, макро и микрострукту-
ру, фрактографическое изучение характера разрушения спеченных титановых порошков и сплавов на их основе.
Результаты комплексных исследований условий образования и стабилизации полигонизованной структуры при многократных а<-*р переходах в спеченном титановом а - псевдо сплаве. Экспериментальные исследования влияния ТЦО на дислокационную структуру и распределение примесей, условия термостабильности структуры и оптимальные режимы ТЦО, повышающие ресурс и показатели надежности работы деталей из спеченных сплавов.
Конструкция электроискрового покрытия из самофлюсующего сплава, полученного методом ЛЭНП (структура, фазовый и химический составы и др.), обеспечивающего защиту основного материала подложки от внешних воздействий, где порошковая основа принимает главную нагрузку, а многоцелевое покрытие на ней обеспечивает заданные служебные характеристики.
Разработки и исследования в области поверхностного пластического деформирования-выглаживания поверхности электроискровых покрытий минерало-керамикой, повышающие качество поверхности (шероховатость и пористость) и снижающих уровень растягивающих напряжений.
Достоверность основных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований на аттестованных приборах и оборудовании; воспроизводимостью и согласованностью полученных результатов с общепринятыми представлениями и отсутствием противоречий с результатами исследований других авторов; сравнением опытных данных с расчетами и апробацией в условиях производства.
Практическая ценность. На основе проведенных исследований и установленных закономерностей формирования структуры и свойств спеченного титанового а - псевдо сплава, многоцелевого электроискрового покрытия из самофлюсующего сплава типа Ni Cris 8І4-2 В« С^,5, разработаны эффективные технологии производства композиционного материала, включающие термоциклическую обработку подложки из порошкового титанового сплава и выглаживание поверхности электроискрового покрытия минералокерамикой, для работы в средне и тяжело нагруженных узлах трения деталей различного назначения.
Основные положения настоящей работы могут быть применены для определения и оптимизации технологических параметров изготовления композиционного материала при производстве деталей конструкционного назначения.
Даны практические рекомендации по внедрению на ряде машиностроительных предприятий г. Курска, вышеуказанные технологии рекомендуются для внедрения в производство других отраслей.
Личный вклад автора состоит выдвижении и реализации основ технологии получения композита с подложкой из спеченного сплава ТІ2 А12Мо (плюс ТЦО) с многоцелевым покрытием, полученным методом ЛЭНП, с последующим его выглаживанием синтетическим алмазом или минералокерамикой; в организации, постановке и проведении экспериментальных исследований; в обобщении и обосновании выносимых на защиту научных и технологических положений.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены: X Российской научно-технической конференцией с международным участием, посвященной 40-летию Курского ГТУ "Материалы и упрочняющие технологии-2003" (Курск); XVTI межвузовской научно-практической конференции (Брянск) 2004 г.; ХХХП межвузовской конференции студентов и аспирантов в области научных исследований "Молодежь и XXI век" (Курск) 2004 г.; VII международной научно-технической конференции "Медико-экологические информационные технологии-2004" (Курск); II международной научно-технической конференции "Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации" в Курском государственном техническом университете в 2004 г.; на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Курской государственной сельскохозяйственной академии им. проф. И.И. Иванова в 2002-2004 г., работа рассматривалась на научно-технических семинарах кафедр "Технология металлов и ремонт машин" в Курской государственной сельскохозяйственной академии в 2004 г. и кафедре "Оборудование и технология сварочного производства" в Курском государственном техническом университете в 2004 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы из 249 наименований. Текст диссертации включает 163 страницы, содержит 48 рисунков, 11 таблиц и приложения на 2 страницах.
