Структурные и технологические закономерности формирования поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с эффектом памяти формы плазменным напылением механоактивированных порошков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурные и технологические закономерности формирования поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с эффектом памяти формы плазменным напылением механоактивированных порошков

Ж.М. Бледнова

Одной из главных особенностей современных наукоемких технологий является стремление создавать и использовать новые материалы, обладающие, помимо уникальных сочетаний механических, физических и других свойств, способностями активно реагировать на изменение внешних условий или внешнее воздействие (интеллектуальные материалы). В этой связи формирование наноструктурных состояний в материалах с эффектом памяти формы (ЭПФ), как в объеме, так и на их поверхности является важным направлением современного материаловедения [1,2]. Это особенно важно для создания функциональных материалов нового поколения, поскольку их надежная эксплуатация требует обеспечения достаточного запаса прочности. Применение материалов с нанострктурированными поверхностными слоями из сплавов с ЭПФ позволит существенно повысить износостойкость, усталостную долговечность, коррозионную стойкость при обеспечении функциональных свойств памяти и, как следствие, повысить эксплуатационный ресурс работы изделий. В настоящей работе приводятся результаты исследования по формированию на сталях поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ плазменным напылением механоактивированных порошков.

Материалы и методы исследования. Формирование поверхностных слоев производилось путем плазменного напыления механоактивированного порошка из материалов с ЭПФ на основе TiNi на модернизированной установке УПУ-3Д [3,4]. В качестве материала для механоактивации использовали порошки никелида титана на основе B2-соединения марки ПН55Т45 эквиатомного состава (Ti-50 ат.%Ni) производства НПО «Тулачермет». Температура плавления Тпл=1310°С, твердость HRCэ 55-60. В качестве основы использовались: сталь 45, сталь 40Х. Размер фракций порошка ПН55Т45 в исходном состоянии составлял 15-20 мкм (рис. 1,а). Структура пороша TiNi состоит преимущественно из аустенитной фазы (~95%) с небольшим количеством мартенситной фазы (~5%).

Для механической активации и измельчения порошка ПН55Т45 использовали аттритор со следующими параметрами: объем рабочей камеры 0,5л, скорость вращения мешалки 600-1200 мин-1, диаметр стальных шаров составлял 6 мм. Обработку в аттриторе осуществляли в жидких средах (керосин) или защитных атмосферах (аргон). Порошок ПН55Т45 после механоактивации представляют собой плоские диски размером от 0,9 до 7 мкм (рис. 1,б).

а)

б)

Рис. 1. Морфология частиц порошка ПН55Т45 до механоактивации 400 -а); после механоактивации в течение 1 ч Ч500 -б)

Основным исследовательским инструментом на каждом этапе выполнения работы являлась электронная и оптическая металлография. Металлографический анализ проводился на растровом электронном микроскопе сверхвысокого разрешения JSM-7500F, просвечивающем электронном микроскопе JEM - 2100, измерительном микроскопе ИМЦ-100, оптическом микроскопе NU-2E (Carl Zeiss Jena). Рентгенофазовый анализ проводили на приборе Shimadzu XRD - 7000 в Cu-Кб излучении (л=1,54051) с Ni-фильтром. Термический анализ материала с ЭПФ на основе TiNi проводился на установке NETZSCH STA 409 PC при скоростях нагрева и охлаждения 10оС/мин для получения кривой «нагрев-охлаждение».

Исследования эксплуатационных (микротвердость, усталостная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость) и функциональных свойств сталей поверхностно-модифицированных сплавами с ЭПФ (ПМСЭПФ) на основе TiNi проводились экспериментальными и численными методами, на специиальном и стандартном оборудовании (МУИ-6000, УМЭ-10ТМ, ЭКПС-50).

Технология формирования поверхностных слоев. Перед плазменным напылением порошка ПН55Т45 проводили очистку поверхностей стальных образцов от загрязнений, осуществляли дробеструйную обработку с последующим травлением 15-20% раствором HNO3. Для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой на подготовленную поверхность наносили плазменным напылением подслой Ni из порошка ПНК1-ВЛ7 (НПО «Тулачермет»), затем на подслой Ni осуществляли плазменное напыление механически активированного порошка ПН55Т45.

Анализ результатов исследований ряда авторов [5,6] и собственные исследования [3,4] позволили выявить основные технологические параметры процесса плазменного напыления, определяющие качество и свойства покрытия. К основным технологическим параметрам плазменного напыления относятся: величина тока дуги, напряжение, расход и состав плазмообразующего газа, расход порошка и транспортирующего газа, дистанция и угол напыления, скорость перемещения и подача плазматрона, скорость вращения покрываемой детали. Именно они определяют такие характеристики покрытия как прочность сцепления с подложкой, когезионную прочность, уровень остаточных напряжений, пористость, структуру и толщину напыленного слоя. Опыт показывает, что оптимальным составом плазмообразующего газа является смесь аргона и азота с концентрацией азота в пределах 20-30% [3,5], что приводит к резкому снижению количества пор в плазменном покрытии, увеличению пластичности расплавленных частиц при ударе о подложку, увеличению прочность сцепления покрытия с подложкой.

Рис. 2. Влияние параметров технологического процесса плазменного напыления на прочность сцепления с подложкой и пористость покрытия

Для придания материалам поверхностно-модифицированных сплавами с ЭПФ (ПМСЭПФ) особых функционально-механических свойств используют термодеформационные методы, которые включают термическую обработку (ТО) и поверхностное пластическое деформирование (ППД). ТО и ППД в сочетании с плазменным напылением при создании поверхностных структур с памятью формы позволяют обеспечить им широкий спектр свойств (ЭПФ, износостойкость, усталостную прочность, сопротивление агрессивным средам). Термомеханическая обработка (ТМО) является конечной операцией технологического процесса и заключается в проведении комбинированной обработки, включающей ППД при температуре прямого мартенситного превращения МП (Ms-Mf). ППД проводили методом обкатки в трёхроликовом приспособлении (диаметр ролика 50 мм, ширина 8 мм) при следующих параметрах обкатки: контактная нагрузка на каждый ролик - Р=1ч10 кН, скорость обкатки - v=94·10-3 ч97·10-3 м/с, продольная подача - S=0,07ч0,1 мм/об.

Особенности формирования структуры в ПМСЭПФ TiNi

Макро- и микроанализ поверхностных слоев сплава TiNi, полученных по отработанной технологии, показал, что структура покрытий достаточно плотная, с размером зерна от 18 до 140 нм (рис. 3а,б). Граница раздела между покрытием и подложкой без видимых дефектов. При прохождении частиц порошка через аргонно-азотную плазму они нагреваются и при ударе о подложку затвердевают в виде деформированных дисков, которые видны на снимках и имеют диаметр 1-7мкм и толщину 0,8-2 мкм.

Результаты рентгенофазового анализа показали, что при комнатной температуре исходное фазовое состояние слоя TiNi после плазменного напыления механически активированного порошка представляет собой мартенситные фазы В19' с моноклинной решеткой, аустенитную B2-фазу с кубической решёткой, фазу Ti3Ni4 с ромбоэдрической решёткой, фаза Ni3Ti с гексагональной решеткой, фаза NiTi2 с кубической решеткой, небольшое количество TiO и NiTiO3 c ромбоэдрической решеткой (мартенситная фаза В19' ? 59,560%, аустенитная фаза B2 ? 1515,5%, Ti3Ni4 ? 18,519%, Ni3Ti ? 1,52%, NiTi2 ? 1,52%, TiO + NiTiO3 менее 1,5%).

а) б)

Рис. 3. Наноструктурированное TiNi покрытие, полученное плазменным напылением механически активированного порошка. Ч120000 - а); количественное распределение размера зерен и их процентного содержания в покрытии TiNi - (б)

Проведенные исследования напыления порошка в исходном состоянии и после механоактивации показали, что предварительная механоактивация порошков позволяет снизить пористость покрытий до 2% и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой до 50-60МПа. Разработана статистическая модель технологического процесса, позволяющие оптимизировать структурно-механические свойства и обеспечить формирование нанокристаллической структуры.

Исследование эволюции структуры на всех этапах поверхностного модифицирования выполнялся на основе фрактального подхода методом мультифрактальной параметризации, который базируется на качественном анализе инструментальными методами и в дополнении к таким классическим параметрам микроструктуры, как размер зерна, удельная площадь, связанных с физико-механическими свойствами, несет информацию количественного характера. На рис. 4 представленная цифровая фотография микроструктуры размером 150Ч1650 мкм, которая разбивалась сеткой на 11 зон, размер ячейки составлял 512512 px. Толщина слоя TiNi составляла 1000 мкм, а никелевого подслоя 100 мкм.

Мультифрактальный анализ (МФА) порошка TiNi показал, что размерность самоподобия частиц механоактивированного порошка ПН55Т45, D0=0,997, для среднестатистической частицы составляет D0=0,998, т.е. отдельная частица не обладает фрактальностью, поскольку имеет близкую к нулю адаптивность. Пороговая устойчивость D100 =1,287 указывает на принадлежность частиц порошка к квазиупругой среде. Результаты МФА поверхностного слоя TiNi после плазменного напыления представлены на рис. 4 и в табл. 1. Величина размерности самоподобия для сплава TiNi и стали 45 составила D0=1,852 и D0=1,565. Известно, для аустенитных сталей, значение порога устойчивости составляет порядка 1,8, т.е. сталь, не претерпевшая никаких воздействий, не переходит порог перколяции, значение D100=1,757.

Рис.4. Разбиение микроструктуры покрытия TiNi наложением сетки

Таблица 1. Мультифрактальные характеристики поверхностного слоя сплава TiNi, после плазменного напыления на сталь 45, по глубине

где Д100 - скрытая периодичность; f100 -однородность; D0 - фрактальная размерность; D100 -порог устойчивость; Aш - адаптивность;

Величина порога устойчивости микроструктуры TiNi в выбранном масштабном уровне составила D100=1,612ч1,653 - TiNi, что соответствует области существования пластичных Ф- симметрийных фракталов 1,475D1001,67 и изменению структур за счет деформации превращения. В области переходной зоны начинается плавное снижение показателей D100 и Д100 и одновременно резкий рост однородности f100. Как видно из табл.1, поверхность стальной основы, граничащая с напыленным переходным слоем, претерпела структурную деградацию за счет воздействия плазменного напыления механоактивированного порошка. В этой области показатель скрытой периодичности становится отрицательным, что указывает на вырождение упорядоченности структуры и неспособности к самовосстановлению, также наблюдается и вырождение мультифрактальности . Стальная основа имеет порог устойчивости 1,4681,471, принадлежащей области 1,3D1001,475 с вакансионным механизмом перестройки структуры. Адаптационные свойства у стальной основы отсутствуют (А 0). Ширина зоны деградации стали достигает 15 мкм. Мультифрактальные характеристики фиксируют границы перехода от адаптации к деградации по глубине соединения TiNi-Ni и Ni-сталь. Анализ распределения мультифрактальных характеристик показывает, что глубина слоя TiNi, на которой отсутствуют признаки деградации структуры, то есть эффективного слоя, достигает 995 мкм.

При сопоставлении МФХ с традиционными характеристиками структуры установлена связь между показателем МФМ - фрактальной размерностью структуры (D0) и размером зерна (d, мкм). Изменение фрактальной размерности и размера зерна по глубине слоя TiNi описывается графиком рассеяния двухординатного типа с полиномиальным приближением (рис. 5).

наноструктурный микроскоп слой порошок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проведенные экспериментальные исследования прочности стали 45, поверхностно-модифицированной сплавом TiNi при многоцикловом нагружении показали повышение предела выносливости на 51%, а стали 08Х14НДЛ после поверхностного модифицирования TiNi на 36,5% на воздухе и на 65% в морской воде. Износостойкость стали 45 с поверхностным слоем TiNi повышается в 3-3,5 раза. Экспериментально подтверждены высокие коррозионные свойства поверхностных слоев TiNi слоев в морской воде.

Произведена конечно-элементная оценка НДС лопасти гребного винта судна из стали 08Х14НДЛ с учетом влияния наноразмерного (средний размер зерна 80 мкм) покрытия на основе TiNi [7]. Как в мартенситном, так и в аустенитном состоянии покрытие толщиной 1 мм обеспечивает снижение напряжений в наиболее опасных зонах лопасти и с учетом повышенных характеристик TiNi сопротивления износу и коррозии в условиях воздействия сред способствует повышению надежности. На примере термомеханически управляемого разъемного соединения и запорной арматуры также показана возможность и экономическая целесообразность использования поверхностного модифицирования деталей материалами с ЭПФ для обеспечения функционально-механических свойств [8].

Выводы

На основе анализа фазового состава, среднего размера зерен, определенного методом электронной микроскопии высокого разрешения и мультифрактальной параметризации структуры показана взаимосвязь свойств покрытий с их структурно-фазовым состоянием. Изучено влияние структуры и механических свойств композиции сталь- покрытие в условиях циклического нагружения и износа. Показано, что напыление механоактивированного порошка оптимального гранулометрического состава обеспечивает повышение усталостной прочности и износостойкости. Установлены закономерности эволюции структурных параметров и мультифрактальных характеристик поверхностных слоев из материалов с ЭПФ, позволяющие прогнозировать свойства композиции «сталь-покрытие».

Литература

1. Лякишев Н.П., Алымов М.И. Наноматериалы конструкционного назначения // Российские нанотехнологии . 2006. -Т.1-2. С. 71-81.

2. Валиев Р. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации // Российские нанотехнологии. - 2007.- Т.1-2. - С. 208-216.

3. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Формирование наноструктурированных поверхностных слоёв из материалов с памятью формы на основе TiNi плазменной наплавкой // Упрочняющие технологии и покрытия 2009. № 9.- С.23-31.

4. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Структурно-механические особенности формирования поверхностных слоёв при плазменном напылении NiAl // Известия вузов. Сев.- Кавказ. регион. Технические науки. 2009. № 6.

5. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления: Учеб. пособие.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 360 с.

6. Поверхностные и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах /Под ред. В.Е. Панина; Рос. Акад. Наук, Сиб. отделение, Ин-т физики прочности и материаловедения и др.- Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 520 с.- (Интеграционные проекты СО РАН; вып. 8).

7. Бледнова Ж.М., Починков Р.А., Русинов П.О. Влияние поверхностного модифицирования материалом с ЭПФ на основе TiNi на напряженно-деформированное состояние лопасти гребного винта // Безопасность и живучесть технических систем. Сб. науч. труд. Всерос. конф. Красноярск. 2009.-С. 120-123.

8. Решение о выдаче патента по заявке № 2009110621 от 23.03.09. Запорная арматура. Бледнова Ж.М., Русинов П.О., Чаевский М.И. (19.03.09 п/п 15378 от 27.02.09).

Размещено на Allbest.ru