Structure and properties of TiB-TiC-Ti layers fabricated on CP-titanium substrates by electron beam cladding

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The influence of non-vacuum electron beam treatment modes on the structure and properties of wear resistant TiB-TiC-Ti layers formed on the surface of VT1-0 titanium alloy is investigated. A mixture of titanium, boron carbide and flux powders is used as filler. The structure and phase composition of the layers are investigated by the means of optical microscopy and scanning electron microscopy, and X-ray diffractometry. The experiments resulted in the formation of layers with the thickness of 3.4 mm consisting of α (α´)-Ti, titanium carbide and titanium monoboride. Structural investigations revealed a high volume fraction of TiC and TiB reinforcing compounds contributed in the formation of cracks in the cladded layers. Variation of technological regimes of the electron beam treatment affected the hardness of cladded layers. Treatment of the sample containing 20 wt. % of boron carbide in a filler with a beam current of 22 µA led to the formation of the layer with hardness of 582 HV. This value was about 3.5-fold higher than titanium microhardness. Increase of a beam current by 1 µA resulted in decrease of the microhardness level to 543 HV. Treatment of the sample containing 12 wt. % of boron carbide in a filler led to the formation of the layer with hardness of 436 HV. Wear resistance of fabricated materials is estimated in the conditions of friction by non-rigidly fixed abrasive particles. The best characteristics possessed the layers obtained by cladding of 20 wt. % boron carbide. Intensity of wear of the coated samples was 8-fold lower comparing to CP-titanium.

About the authors

O. G Lenivtseva

Novosibirsk State Technical University

Email: lenivtseva_olga@mail.ru
20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

E. A Drobyaz

Novosibirsk State Technical University

Email: ekaterina.drobyaz@yandex.ru
20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

A. S Gontarenko

Novosibirsk State Technical University; Leibniz University of Hannover

Email: gontarenko@iw.uni-hannover.de
20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; 2, University str., Garbsen, 30823, Germany

T. A Zimogliadova

Novosibirsk State Technical University

Email: zimogliadovatatiana@gmail.com
20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

L. V Chuchkova

Novosibirsk State Technical University

Email: l_chuchkova@bk.ru
20, Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

References

  1. Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications / ed. by C. Leyens and M. Peters. - Weinheim: Wiley-VCH, 2005. - 532 p.
  2. Dong H. Tribological properties of titanium-based alloys // Surface Engineering of Light Alloys. - Oxford: Woodhead Publishing, 2010. - P. 58-80. - ISBN 978-1-845-69945-1.
  3. Miller P.D., Holladay J.W. Friction and wear properties of titanium // Wear. - 1958. - Vol. 2. - P. 133-140. - doi: 10.1016/0043-1648(58)90428-9.
  4. Rabinowicz E. Friction properties of titanium and its alloys // Metal Progress. - 1954. - Vol. 65 (2). - P. 107-110.
  5. Alam M.O., Haseeb A.S.M.A. Response of Ti-6Al-4V and Ti-24Al-11Nb alloys to dry sliding wear against hardened steel // Tribology International. - 2002. - Vol. 35, iss. 6. - P. 357-362. - doi: 10.1016/S0301-679X(02)00015-4.
  6. Budinski K.G. Tribological properties of titanium alloys // Wear. - 1991. - Vol. 151, iss. 2. - P. 203-217. - doi: 10.1016/0043-1648(91)90249-T.
  7. Sun R.L., Lei Y.W. Microstructure and wear resistance of laser clad layer of TiN on TC4 alloy // Journal of Tianjin Polytechnic University. - 2007. - Vol. 26, iss. 4. - P. 57-59.
  8. Filip R., Sieniawski J., Pleszakov E. Formation of surface layers on Ti-6Al-4V titanium alloy by laser alloying // Surface Engineering. - 2006. - Vol. 22, iss. 1. - P. 53-57. - doi: 10.1179/174329406X84967.
  9. Laser surface modification of titanium alloys - a review / Y.S. Tian, C.Z. Chen, D.Y. Wang, T.Q. Lei // Surface Review and Letters. - 2005. - Vol. 12, iss. 01. - P. 123-130. - doi: 10.1142/S0218625X0500686X.
  10. Research progress on laser surface modification of titanium alloys / Y.S. Tian, C.Z. Chen, S.T. Li, Q.H. Huo // Applied Surface Science. - 2005. - Vol. 242, iss. 1-2. - P. 177-184. - doi: 10.1016/j.apsusc.2004.08.011.
  11. Development of laser cladding wear-resistant coating on titanium alloys / R. Bao, H. Yu, C. Chen, B. Qi, L. Zhang // Surface Review and Letters. - 2006. - Vol. 13. - P. 645-654. - doi: 10.1142/S0218625X06008608.
  12. Saleh A.F., Abboud J.H., Benyounis K.Y. Surface carburizing of Ti-6Al-4V alloy by laser melting // Optics and Lasers in Engineering. - 2010. - Vol. 48, iss. 3. - P. 257-267. - doi: 10.1016/j.optlaseng.2009.11.001.
  13. Molian P.A., Hualun L. Laser cladding of Ti-6Al-4V with bn for improved wear performance // Wear. - 1989. - Vol. 130, iss. 2. - P. 337-352. - doi: 10.1016/0043-1648(89)90187-7.
  14. Получение износостойких покрытий на титановых сплавах методом вневакуумной электронно-лучевой обработки / О.Г. Ленивцева, В.В. Самойленко, М.Г. Голковский, И.А. Батаев, Р.А. Достовалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2013. - № 3 (60). - С. 103-109.
  15. Hardness improvement of TiB2/Ti surface-alloyed material fabricated by high-energy electron beam irradiation / J.C. Oh, K. Euh, S. Lee, Y. Koo, N.J. Kim // Scripta Materialia. - 1998. - Vol. 39, iss. 10. - P. 1389-1394. - doi: 10.1016/S1359-6462(98)00325-X.
  16. Oh J.C., Choo D.-K., Lee S. Microstructural modification and hardness improvement of titanium-base surface-alloyed materials fabricated by high-energy electron beam irradiation // Surface and Coatings Technology. - 2000. - Vol. 127, iss. 1. - P. 76-85. - doi: 10.1016/S0257-8972(99)00664-7.
  17. Kühnle T., Partes K. In-situ formation of titanium boride and titanium carbide by selective laser melting // Physics Procedia. - 2012. - Vol. 39. - P. 432-438. - doi: 10.1016/j.phpro.2012.10.058.
  18. Baker T.N., Selamat M.S. Surface engineering of Ti-6Al-4V by nitriding and powder alloying using CW CO2 laser // Materials Science and Technology. - 2008. - Vol. 24, iss. 2. - P. 189-200. - doi: 10.1179/174328407X226563.
  19. WCp/Ti-6Al-4V graded metal matrix composites layer produced by laser melt injection / Y. Chen, D. Liu, F. Li, L. Li // Surface and Coatings Technology. - 2008. - Vol. 202, iss. 19. - P. 4780-4787. - doi: 10.1016/j.surfcoat.2008.04.057.
  20. Höche D., Schaaf P. Laser nitriding: investigations on the model system TiN. A review // Heat and Mass Transfer. - 2011. - Vol. 47, iss. 5. - P. 519-540. - doi: 10.1007/s00231-010-0742-z.
  21. High-energy electron beam cladding of titanium and carbon on titanium alloy / O.G. Lenivtseva, O.A. Butylenkova, E.D. Golovin, M.G. Golkovsky // The 8th International Forum on Strategic Technology (IFOST 2013), Ulaanbaatar, Mongolia, 28 June - 1 July 2013. - Ulaanbaatar: MUST, 2013. - P. 152-155.
  22. Structure and properties of titanium surface layers after electron beam alloying with powder mixtures containing carbon / O.G. Lenivtseva, I.A. Bataev, M.G. Golkovski, A.A. Bataev, V.V. Samoilenko, N.V. Plotnikova // Applied Surface Science. - 2015. - Vol. 355. - P. 320-326. - doi: 10.1016/j.apsusc.2015.07.043.
  23. Ayers J.D., Schaefer R.J., Robey W.P. A laser processing technique for improving the wear resistance of metals // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. - 1981. - Vol. 33, iss. 8. - P. 19-23. - doi: 10.1007/BF03339467.
  24. Draper C.W., Ewing C.A. Laser surface alloying: a bibliography // Journal of Materials Science. - 1984. - Vol. 19, iss. 12. - P. 3815-3825. - doi: 10.1007/BF00980743.
  25. Improvement of hardness and wear resistance in SiC/Ti-6Al-4V surface composites fabricated by high-energy electron beam irradiation / J.C. Oh, E. Yun, M.G. Golkovski, S. Lee // Materials Science and Engineering: A. - 2003. - Vol. 351, iss. 1-2. - P. 98-108. - doi: 10.1016/S0921-5093(02)00821-3.
  26. Lee C.S., Oh J.C., Lee S. Improvement of hardness and wear resistance of (TiC, TiB)/Ti-6Al-4V surface-alloyed materials fabricated by high-energy electron-beam irradiation // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2003. - Vol. 34, iss. 7. - P. 1461-1471. - doi: 10.1007/s11661-003-0258-y.
  27. Yun E., Lee K., Lee S. Improvement of high-temperature hardness of (TiC, TiB)/Ti-6Al-4V surface composites fabricated by high-energy electron-beam irradiation // Surface and Coatings Technology. - 2004. - Vol. 184, iss. 1. - P. 74-83. - doi: 10.1016/j.surfcoat.2003.10.017.
  28. Non-vacuum electron-beam boriding of low-carbon steel / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, A.Y. Teplykh, V.G. Burov, S.V. Veselov // Surface and Coatings Technology. - 2012. - Vol. 207. - P. 245-253. - doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.081.
  29. Structure of surface layers produced by nonvacuum electron beam boriding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovski, D.S. Krivizhenko, A.A. Losinskaya, O.G. Lenivtseva // Applied Surface Science. - 2013. - Vol. 284. - P. 472-481. - doi: 10.1016/j.apsusc.2013.07.121.
  30. Вневакуумная электронно-лучевая наплавка углеродсодержащих порошковых смесей на заготовки из титана ВТ1-0 / О.Г. Ленивцева, И.А. Батаев, В.В. Иванцивский, Н.С. Белоусова, Е.Д. Головин, Т.А. Зимоглядова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2013. - № 4 (61). - С. 49-57.
  31. In situ technique for synthesizing (TiB+TiC)/Ti composites / X. Zhang, W. Lü, D. Zhang, R. Wu, Y. Bian, P. Fang // Scripta Materialia. - 1999. - Vol. 41, iss. 1. - P. 39-46. - doi: 10.1016/S1359-6462(99)00087-1.
  32. Microstructural characterization of titanium matrix composite coatings reinforced by in situ synthesized TiB + TiC fabricated on Ti6Al4V by laser cladding / J. Li, Z. Yu, H. Wang, M. Li // Rare Metals. - 2010. - Vol. 29, iss. 5. - P. 465-472. - doi: 10.1007/s12598-010-0151-y.
  33. Study on microstructure of laser in situ formation of TiBX and TiC titanium composite coatings / J. Liang, S. Chen, C. Liu, F. Liu // Materials Science Forum. - 2011. - Vol. 686. - P. 646-653. - doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.686.646' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.686.646.
  34. Zhang Y., Sun J., Vilar R. Characterization of (TiB + TiC)/TC4 in situ titanium matrix composites prepared by laser direct deposition // Journal of Materials Processing Technology. - 2011. - Vol. 211, iss. 4. - P. 597-601. - doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.11.009.
  35. Handbook of ternary alloy phase diagrams / P. Villars, A. Prince, H. Okamoto, eds. - Materials Park, Ohio: ASM International, 1994. - ISBN 10: 0871705265. - ISBN 13: 9780871705266.
  36. Microstructural characterization of TiB in in situ synthesized titanium matrix composites prepared by common casting technique / W. Lu, D. Zhang, X. Zhang, R. Wu, T. Sakata, H. Mori // Journal of Alloys and Compounds. - 2001. - Vol. 327, iss. 1-2. - P. 240-247. - doi: 10.1016/S0925-8388(01)01445-1.
  37. Evolution of microstructure and phases in in situ processed Ti-TiB composites containing high volume fractions of TiB whiskers / S.S. Sahay, K.S. Ravichandran, R. Atri, B. Chen, J. Rubin // Journal of Materials Research. - 1999. - Vol. 14, iss. 11. - P. 4214-4223. - doi: 10.1557/JMR.1999.0571.
  38. TEM characterization of symbiosis structure of in situ TiC and TiB prepared by reactive processing of Ti-B4C / D.R. Ni, L. Geng, J. Zhang, Z.Z. Zheng // Materials Letters. - 2008. - Vol. 62, iss. 4-5. - P. 686-688. - doi: 10.1016/j.matlet.2007.06.033.
  39. Kooi B.J., Pei Y.T., Hosson J.T.M. de. The evolution of microstructure in a laser clad TiB-Ti composite coating // Acta Materialia. - 2003. - Vol. 51, iss. 3. - P. 831-845. - doi: 10.1016/S1359-6454(02)00475-5.
  40. Grain refinement of cast titanium alloys via trace boron addition / S. Tamirisakandala, R.B. Bhat, J.S. Tiley, D.B. Miracle // Scripta Materialia. - 2005. - Vol. 53, iss. 12. - P. 1421-1426. - doi: 10.1016/j.scriptamat.2005.08.020.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».