Введение к работе
В диссертационной работе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, на базе которых разработаны ПС-содержащие композиционные плазменные покрытия с повышенной стойкостью к абразивному изнашиванию.
Актуальность темы диссертации. Современная техника испытывает острую потребность в деталях, имеющих низкую металлоёмкость и высокие надежность и долговечность. Основной причиной выхода из строя деталей и рабочих органов машин является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей. Среди различных видов изнашивания детален машин наиболее распространённым и быстро протекающим является абразивное, при котором разрушение поверхностного слоя детали осуществляется твёрдым материалом. С точки зрешія увеличения износостойкости поверхности наиболее перспективными являются технологии нанесения покрытий, позволяющие также восстанавливать детали после эксплуатации, что весьма актуально в быстроизнашивающихся узлах.
Среди материалов, применяемых в настоящее время для нанесения износостойких покрытий, особое место занимает карбид титана (ТіС), который, обладая высокой износостойкостью и твердостью при высоких и низких температурах, химической стабильностью, невысоким коэффициентом трения, малой склонностью к схватыванию и холодной сварке, в то же время недифицитен и сравнительно недорог.
Одним из наиболее эффективных и универсальных методов нанесения защитных покрытий является плазменное напыление. Обладая высокими скоростью истечения и температурой, плазменная струя обеспечивает возможность напыления большинства материалов. Высокая производительность и большое количество параметров, обеспечивающих гибкое регулирование процесса напыления, обусловили широкое использование способа при нанесении покрытий.
Как и большинство карбидов с ГЦК-ргшёткой, ТіС имеет широкую область гомогенности. При этом с изменением дефектности по углероду твердость и износостойкость его заметіга колеблется. Однако при достаточно. широком использовании карбида титана для плазменного напыления износостойких композиционных покрытий до настоящего кремени оставался практически не изученным вопрос о составе карбида в газотермических покрытиях, влиянии на него режимов и способов плазменного напыления и связанных с этим возможностях увеличения износостойкости покрытий, что и обусловило актуальность работы.
2-. Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнена в
рцмках совместной международной программы по газотермическому напылению нзносо- и коррозионностойких покрытий HWISCO (подписанной 5 октября 1990г. в г. Аахен, Германия), выполняемой при поддержке Research Center of the United Technologies Corporation (США), комплексной программы фонда фундаментальных исследований РБ "Наука-92-95" (1992-1995гг.), а также республиканских целевых научно-технических программ "Материал-2" (1993-1996гг.) и "Триботехника" (1994-199бп).
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка перспективных . ТіС-содержащнх композиционных плазменных покрытий для работы в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
-
выбрать перспективные материалы для напыления;
-
исследовать влияние способов получения композиционных порошков на состав карбида титана и выбрать технологии, обеспечивающие стехиометрический, или близкий к нему состав ТІС;
-
изучить структуру и свойства покрытий из выбранных материалов и разработагь технологии их плазменного напыления;
-
исследовать особенности процесса подводного плазменного напыления (ППН) и новые возможности получения покрытий этим способом;
-
разработать технологические процессы нанесения композиционных плазменных покрытий на детали, работающие в условиях интенсивного абразивного изнашивания.
Научная новизна полученных результатов. Впервые на основе анализа состава карбида титана и структуры материалов, а также их влияния на трибологические свойства покрытий изучены процессы плазменного напыления композиционных материалов систем Ni-Cr-B-Ti/TiC, Al/TiC и Fe/TiC/, что позволило отдать покрытия с повышенной стойкостью к абразивному изнашиванию..
Предложены способы защиты карбида титана от термической диссоциации при напылении.
- Добавление к напыляемым материалам системы Ni-Cr-B-Ti/TiC чешуек нихрома позволяет избежать разложения карбида титана на жестких режимах напыления, при которых Достигается высокое качество покрытий. Это связано с быстрым снижением температуры плазменной струи в результате испарения,нихрома, в то время как ее энтальпия практически не уменьшается; тем самым удается увеличить стойкость покрытий к абразивному изнаши-, ванню в 1,5...2 раза.
Особенности структуры полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) композиционных порошков систем Al/ГіС и Fe/TiC, содержащих гомогенно распределенные в объеме каждой частицы дисперсные зерна TiC, позволяют избежать окисления и термической диссоциации TiC при плазменном напылении композиционных покрытий в воздушной атмосфере н обеспечивают его однородное объемное распределение.
Определены основные особенности процесса подводного плазменного напыления и новые возможности нанесения покрытий этим способом.
Установлено, что особенности газодинамики плазменных струй под водой обусловлены, главным образом, влиянием давления водяного столба, выражающимся в сильном торможении газов и увеличении стационарного давления плазмы.
Плазменная струя практически не эжектирует окружающую среду - воду, вследствие чего ее химический состав является постоянным й контролируемым, а движение газов следует рассматривать как канальное.
Вследствие обжатия плазменной струи водой и малых дистанций обработки тепловые потоки от плазменных газов к напыляемой поверхности в 100 и более раз превышают таковые для плазменной обработки з газовых средах. Показано, что использование пористых сопловых насадок позволяет регулировать тепловые условия в пятне напыления. Эжекция воды через поры охлаждает струю плазменных газов, практически не уменьшая температуру напыляемых частиц. Изменением размеров насадки можно управлять степенью охлаждения плазменной струи, что особенно важно при Малых дистанциях напыления.
Предложен способ точного контроля дистанции при напылении под водой по силе тока, возникающего между соплом (сопловой насадкой) плазмотрона и основой при приложении к ним разности потенциалов (заявка на изобретение N 960065, приоритет от 15 февраля 1996г.). Такой способ обеспечивает формирование высоко-плотных покрытий из металлоке-рамических порошков.
Установлено, что в интервале температур покрытия от 100 до 700С скорость охлаждения покрытий в воде превышает скорость охлаждения его на воздухе в 300 и более раз. Предложен способ дополнительного увеличения скорости охлаждения покрытий (заявка на изобретение N 960066, приоритет от 15 февраля 1996г.). Подача в зону охлаждения покрытия струи воды уменьшает толщину пограничного слоя и интенсифицирует процессы теплообмена. При этом коэффициент теплоотдачи от обрабатываемого изделия в окружающую воду легко регулируется расходом последней и может достигать 100 Вт/(м-К), приводя к формированию микро- її нанокристаллической структуры.
4 Практическая значимость полученных результатов. Разработаны перспективные
плазменные покрытия для защиты деталей, работающих в условиях микрорезания и газоабразивной эрозии.
Разработан способ нанесения покрытий методом подводного плазменного напыления в режиме оплавления с применением пористых насадок и точным контролем дистанции напыления, позволяющий получать металлокерамические покрытия с пористостью менее 2%,
Разработаны и внедрены в НИИ порошковой металлургии технологические процессы нацесения композиционных покрытий на рабрчие поверхности ножей для резки сетки из керамических волокон (ТП N 01171.01720) и лопаток турбин дробеметной камеры, модели 42612 (ТП N01171.01719).
Экономическая значимость полученных результатов. Использование покрытий позволяет увеличить срок службы ножей до перезаточки в 3,5..4,5 раза по сравнению с ножами, изготовленными из стали 5ХНМ и повысить ресурс работы лопаток в 1,1.1,4 раза по сравнению с обычно применяемыми чугунными.
Основные положения диссертации, иыноснмые на защиту.
При жестком абразивном изнашивании, характеризующимся высоким внешним силовым воздействием на контакте между абразивом и поверхностью, формирование эвтектической структуры Ni-Cr-B-Ti сплава на основе тау-борида и Ni-твердого раствора, упрочненной твердыми включениями, позволяет получить оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств композиции Ni-Cr-B-Ti/TiC и обеспечить повышенную износостойкость покрытий в условиях микрорезания.
Сочетание высокой пластичности связки, обеспечивающей диссипацию энергии в условиях высоких внешних динамических нагрузок, с высоким содержанием в мелкозернистой структуре частиц карбида титана, воспринимающих основную нагрузку, обеспечивает стойкость покрытий систем Fe/TiC и А1/ТІС к газоабразивному изнашиванию, не уступающую стойкости твердых сплавов при более низкой стоимости.
Особенности метода подводного плазменного напыления (обжатие плазменной струи водой, малые дистанции напыления, увеличение теплового потока от плазменных газов к напыляемой поверхности и скорости охлаждения покрытий) позволяют получать высоко-плотные покрытия из металлокерамических материалов, а также осуществлять процесс напыления с одновременной термообработкой.
Определены оптимальные способы и режимы плазменного напыления композиций, обеспечивающие:
5 сохранение в структуре покрытий стехиометрического или близкого к нему состава
карбида титана, характеризующегося максимальной износостойкостью;
хорошую когезионную связь между компонентами композиционного, покрытия,
обеспечивающую релаксацию напряжений в системе и ее структурную целостность при при
ложении нагрузки; .
минимальную пористость.
За счет вышесказанного достигается повьпяен.іая стойкость покрытий к абразивному изнашиванию.
Личный вклад соискателя. Автором диссертации были проведены все исследования структуры и свойств порошков и покрытий, представленные в ргботе (за исключением испытаний на износостойкость покрытий системы Ni-Cr-B-Ti/TiC, выполненных в Техническом Университете, г. Хемнитц, Германия); разработаны методики фазового анализа и оптимизирован состав покрытий на основе тау-боридных сплавов; определены оптимальные ре:кимы напыления; разработаны технологические процессу нанесения покрытий на детали,. Совместно с кандидатом технических наук А.А. Верстаком разработан способ подводного плазменного напыления в режиме оплавления с использованием пористых сопловых насадок и точным контролем дистанции напыления. Технологии получения СВС-порошков систем Fe/TiC и А1/ПС разработаны старшим научным сотрудником Т.А. Азаровой.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты и положения работы докладывались на 4-й Европейской конференции по материалам и технологиям " Восток -Запад" (Санкт-Петербург,1993г.)л восьми научно-технических конференциях по проблемам нанесения защитных покрытий (Минск.май 1992г.; Киев,октябрь 1992г.; Минск, октябрь 1992г.; Новополоцк, апрель 1995 г.; Санкт-Петербург, май-июнь 1995г.; Севастополь, сентябрь 1995г.; Таллинн, ноябрь 1995г.; Цинциннатти, октябрь 1996г.), II конференции "ІЇОМАТЕХ-96" (Минск, май 1996г.) и на ежегодных совещаниях по программе EWISCO (США, июнь 1992г., Аахен, март 1993г., Берлин, ноябрь 1993г.).
Опубликовапностъ результатов. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в десяти печатных работах и ежегодных сообщениях по программе EWISCO. Получены приоритетные справки'на дна патента Республики Беларусь "Способ плазменного напыления".
Структура и сбъем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, вы: водов, списка использованных источников и приложения. Она содержит 98 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 10 таблиц и 105 библиографических источников.