Микроплазменное напыление металлокерамических покрытий на основе механосинтезированных композиционных порошков Ti/HfB 2

М. Е. Гошкодеря; Гошкодеря М. Е.; Т. И. Бобкова; Бобкова Т. И.; Н. А. Сердюк; Сердюк Н. А.; А. А. Каширина; Каширина А. А.; М. В. Старицын; Старицын М. В.; М. В. Хроменков; Хроменков М. В.

doi:10.31857/S0002337X24030179

Микроплазменное напыление металлокерамических покрытий на основе механосинтезированных композиционных порошков Ti/HfB₂

Authors: Гошкодеря М.Е.¹, Бобкова Т.И.¹, Сердюк Н.А.¹, Каширина А.А.¹, Старицын М.В.¹, Хроменков М.В.¹
Affiliations:
1. НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”
Issue: Vol 60, No 3 (2024)
Pages: 387-394
Section: Articles
URL: https://journal-vniispk.ru/0002-337X/article/view/274402
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X24030179
EDN: https://elibrary.ru/LJKYYF
ID: 274402

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

В работе представлены результаты по напылению металлокерамических покрытий с использованием композиционных порошков титан/диборид гафния. Композиционные порошки синтезировались методом высокоэнергетического механосинтеза. В качестве исходных компонентов использовали порошок титана марки ПТОМ-1 в качестве матричного и порошок диборида гафния как армирующий. У композиционных порошков были исследованы морфология и фракционный состав. При исследовании морфологии было выявлено, что с увеличением содержания армирующего компонента в смеси для механосинтеза возрастает количество внедренных частиц диборида гафния на поверхности порошка титана. Определение фракционного состава показало, что максимальная объемная доля частиц находится в диапазоне 7–10% и соответствует размеру 10–60 мкм. На основе покрытий, сформированных в результате напыления, были изготовлены поперечные микрошлифы, у которых было определено значение микротвердости. РЭМ-изображения показали, что с увеличением содержания диборида гафния в исходных смесях возрастает его количество в напыляемых покрытиях. На всех исследуемых микрошлифах покрытие плотно прилегает к материалу подложки, сквозные поры отсутствуют. При увеличении содержания диборида гафния от 10 до 60 мас. % пропорционально растет микротвердость При 60 мас. % диборида гафния в композиционном порошке Ti/HfB₂ зарегистрировано максимальное значение микротвердости 1076 HV.

Keywords

композиционные порошки титан/диборид гафния, механосинтез, микроплазменное напыление, защитные и восстановительные покрытия

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных направлений разработки новых композиционных материалов является адаптация существующих методов синтеза и оптимизации нанесения функциональных покрытий на поверхности конструкционных элементов [1, 2].

Защитное покрытие может быть получено путем модификации поверхности самой детали или же нанесения на подложку покрытия из другого материала [3, 4]. Необходимость применения покрытий для материалов, работающих в условиях высоких контактных нагрузок, коррозионной среды и высоких температур, обусловлена трудностью существенного улучшения эксплуатационных характеристик узлов и деталей даже в случае использования новых конструкционных материалов [5].

В качестве функциональных покрытий (в том числе термобарьерных) на поверхности трубопроводов, запорных арматур, элементов газотурбинных двигателей рассматривается композит титана и диборида гафния [6–9]. За счет индивидуальных свойств выбранных компонентов, таких как высокая коррозионная стойкость, сопротивление усталостному разрушению, высокая удельная прочность, малая плотность, хладостойкость у титана и высокая тугоплавкость, теплопроводность, твердость, а также металлоподобность у диборида гафния, появляется возможность создать материал, свойства которого будут удовлетворять современным требованиям машиностроения [10–14].

Цель настоящей работы – механосинтез композиционного порошка Ti/HfB₂для напыления металлокерамических покрытий микроплазменным методом и исследование их свойств. При реализации микроплазменного напыления необходимо определить оптимальный режим, который позволит формировать покрытие с высокой твердостью, равномерным распределением армирующего компонента, отсутствием сквозных пор и плотным адгезионным контактом с подложкой. Высокоэнергетический механосинтез позволяет внедрять в объем и на поверхность пластичного матричного порошка частицы более твердого армирующего компонента [15–17].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных материалов использовались порошок титана ПТОМ-1 (АО “ПОЛЕМА”) и порошок диборида гафния HfB₂ с чистотой 99.8% (гафний – основа; бор – 29%).

У исходных порошков исследовали морфологию, фракционный и фазовый составовы. Для исследования морфологии использовался растровый электронный микроскоп (РЭМ) Vega 3 фирмы Tescan с приставкой для рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) Oxford X-Act.

РЭМ изображения исходных порошков титана и диборида гафния представлены на рис. 1. Частицы порошка титана иррегулярной формы с развитой поверхностью. Частицы диборида гафния имеют поверхность, характерную для геометрически правильных кристаллитов (плоские грани, расположенные друг к другу под разными углами). Порошок диборида гафния склонен к агломерации ввиду присутствия в пробе мелкой фракции.

Рис. 1. Морфология исходных порошков

Фракционный состав порошков определяли с помощью лазерного дифракционного анализатора Malvern Mastersizer 2000, состоящего из оптического модуля, двух модулей диспергирования (Hydro S и Scirocco 2000) и персонального компьютера с программным обеспечением Mastersizer 2000. Результаты исследования фракционного состава исходных порошков титана и диборида гафния представлены на рис. 2 и 3. Диаметр частиц порошка титана находится в диапазоне от 1 до 95 мкм. Максимальная объемная доля, равная 10% соответствует диаметру частиц порядка 32–36 мкм. Порошок диборида гафния мелкодисперсный и склонен к агломерации. Его максимальная объемная доля в пробе (4.7%) приходится на диапазон 6–10.5 мкм.

Рис. 2. Дифференциальное распределение по размерам частиц порошка титана

Рис. 3. Дифференциальное распределение по размерам частиц порошка диборида гафния

Фазовый состав определяли при помощи рентгеновского дифрактометра D8 Advance, Bruker (рис. 4). Все рефлексы дифрактограмм исходных порошков коррелируют с базой данных известных соединений, что говорит о высокой чистоте материалов.

Рис. 4. Дифрактограммы исходных порошков

После исследования свойств исходных порошков готовили смеси с содержанием армирующего компонента от 10 до 60 мас. % (с шагом 10%) для механосинтеза композиционных порошков в высокоэнергетическом аттриторе ИВЧ-3 (истиратель вибрационный чашевый). Предварительно подготовленные смеси гомогенизировали в течение 60 мин в лабораторном смесителе Mixer-0,5. В колбу смесителя загружалось 150 г смеси порошков (навеска в 150 г определена устройством ИВЧ-3, состоящего из трех чаш, в каждой из которых должно быть одинаковое количество синтезируемого материала). Массовое соотношение навесок порошков представлено в табл. 1.

Таблица 1. Массовое соотношение смесей титана и диборида гафния

№ смеси	Порошок титана		Порошок диборида гафния
№ смеси	%	г	%	г
1	90	135	10	15
2	80	120	20	30
3	70	105	30	45
4	60	90	40	60
5	50	75	50	75
6	40	60	60	90

ИВЧ-3 состоит из платформы с закрепленными на ней чашами, которые совершают круговые колебания в горизонтальной плоскости. При этом внутренние элементы чаш, такие как кольцо и ролик, совершают обкатку по стенкам чаши и по стенкам кольца. Синтез композиционных порошков на основе титана и диборида гафния проводился в течение 6 мин.

Напыление покрытий проводили с помощью микроплазменного метода, реализуемого на установке УГНП-7/2250, оснащенной роботом-манипулятором Kawasaki FS003N. Рабочий ток дуги плазмотрона составлял 35–40 А, напряжение 40 В. В качестве транспортирующего и плазмообразующего газов использовали аргон с расходом 2 л/мин.

После напыления покрытий изготавливали поперечные микрошлифы для исследования морфологии (наличие сквозных пор, плотность прилегания к подложке, наличие армирующих фаз в покрытии) и микротвердости. Микротвердость покрытия изучали на микротвердомере ПМТ-3.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование морфологии синтезированных порошков Ti/HfB₂показало, что с увеличением содержания армирующего компонента в смеси для механосинтеза возрастает количество армирующих частиц, внедрившихся в поверхность матричных. РЭМ-изображения композиционных порошков представлены на рис. 5. Также можно заметить, что некоторые частицы диборида гафния, которые не внедрились в поверхность титановых частиц, собираются в агломераты.

Рис. 5. Микрофотографии композиционного порошка Ti/HfB₂ с содержанием HfB₂ (мас. %): а – 10, б – 20, в – 30, г – 40, д – 50, е – 60

Характерная композиционная частица представлена на РЭМ-снимке (рис. 6), где частицы диборида гафния отличаются светлым контрастом и значительно меньшим размером, чем частицы матричного порошка титана.

Рис. 6. Характерное РЭМ-изображение композиционной частицы Ti/HfB₂

В процессе механосинтеза произошло незначительное изменение гранулометрического состава композиционных порошков: средний диаметр композиционных частиц уменьшился по сравнению со средним диаметром матричного порошка титана. Характерное распределение частиц по размерам для всех составов композиционного порошка представлено на рис. 7.

Рис. 7. Дифференциальное распределение по размерам композиционного порошка Ti с диборидом гафния

Исследование фракционного состава синтезированных порошков показало, что максимальная объемная доля композиционных частиц находится в диапазоне 7–10% и соответствует размеру 10–60 мкм. Изготовленные механосинтезом композиционные порошки имеют узкий фракционный состав, близкий к нормальному распределению и удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к установке микроплазменного напыления.

После синтеза композиционных порошков Ti/HfB₂ было проведено их напыление на микроплазменной установке. После напыления покрытий были изготовлены поперечные микрошлифы. Результаты исследования морфологии поперечных микрошлифов покрытий на РЭМ представлены на рис. 8.

Рис. 8. Микрофотографии композиционных покрытий Ti/HfB₂ с содержанием HfB₂ (мас. %): а – 10, б – 20, в – 30, г – 40, д – 50, е – 60

На РЭМ-снимках видно, что с увеличением содержания диборида гафния в исходных смесях соответственно возрастает его количество в напыляемых покрытиях, частицы диборида гафния отличаются наиболее светлым контрастом. На всех исследуемых микрошлифах покрытие плотно прилегает к материалу подложки, сквозные поры отсутствуют.

Результаты измерения микротвердости на поперечных микрошлифах покрытий представлены в табл. 2. Увеличение содержания диборида гафния увеличивает микротвердость покрытий, что благоприятно скажется на таких эксплуатационных свойствах покрытий, как стойкость к контактным нагрузкам и эрозионному износу.

Таблица 2. Микротвердость покрытий Ti/HfB₂

№	1	2	3	4	5	6
Твердость, HV	940	950	985	961	1020	1076

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлена возможность создания композиционных порошков Ti/HfB₂методом механосинтеза на установке ИВЧ-3 в течение 6 мин. Содержание армирующего компонента (диборида гафния) в порошках варьировалось от 10 до 60 мас. %.

При исследовании морфологии синтезированных порошков было выявлено, что с увеличением содержания армирующего компонента возрастает количество частиц, внедрившихся в поверхность матричных. При исследовании фракционного состава установлено, что максимальная объемная доля композиционных частиц находится в диапазоне 7–10% и соответствует размеру 10–60 мкм.

Из синтезированных порошков напыляли покрытия При исследовании морфологии их поперечных микрошлифов было установлено, что покрытие плотно прилегает к материалу подложки, а сквозные поры отсутствуют.

Определено, что наивысшее интегральное значение микротвердости покрытий составляет 1076 HV. Высокий уровень твердости благоприятно скажется на стойкости к контактным нагрузкам и эрозионному износу.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта № 21-73-30019.

Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием “Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов” НИЦ “Курчатовский институт” — ЦНИИ КМ “Прометей” при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования – соглашение № 13.ЦКП.21.0014 (075-11-2021-068). Уникальный идентификационный номер — RF----2296.61321X0014.