Разработка и создание новых современных двигателей в настоящее время практически невозможно без применения в них различного вида защитных покрытий, которые позволяют повысить рабочие температуры отдельных деталей, защитить их от высокотемпературной коррозии, увеличить износостойкость узлов и ресурс двигателя в целом. Газотермические технологии нанесения покрытий широко применяются ведущими мировыми производителями в двигателестроении [1,2]. Перспективными являются технологии высокоскоростного воздушно-топливного напыления с использованием смеси воздуха и жидкого топлива или газа (HVAF - High Velocity Air-Fuel spraying process) [3,4]. Особенно эффективно применение этой технологии для нанесения покрытий из композиционных материалов на основе тугоплавких соединений. Высокие скорости потока уменьшают время пребывания находящихся в нём частиц карбидов и боридов и, соответственно, их окисление. Приобретённая частицами высокая кинетическая энергия, при их ударе о подложку превращается в тепловую и частицы остаются более пластичными в процессе формирования покрытия, обеспечивая высокую адгезионную и когезионную связь и плотность покрытия.

Одним из перспективных направлений создания новых материалов для газотермических покрытий является получение композиционных порошков различных типов [5-7]. В качестве исходных материалов для композиционных порошков широкое применение нашли высоколегированные самофлюсующиеся сплавы системы NiCrSiB и дисперсные добавки в виде тугоплавких соединений (WC, TiC, Cr₃C₂, TiB₂, CrB, CrB₂ и т.п.) [6, 8-11]. Добавки карбидов и боридов позволяют существенно повысить износостойкость покрытий из самофлюсующихся сплавов. Однако практически все приведенные материалы являются механическими смесями и у них есть существенный недостаток. В процессе их напыления в потоке происходит сегрегация компонентов обладающих различной плотностью, формой и размером. Это приводит к неоднородности состава покрытия и снижению служебных свойств. Избежать подобных недостатков позволяют технологии конгломерирования [12]. Высококачественные композиционные порошковые материалы получают методом спекания в вакууме с последующим измельчением до нужных фракций. Кроме исключения сегрегации в процессе напыления этот метод позволяет защитить мелкодисперсные добавки от воздействия кислорода окружающей среды и очистить исходные материалы от оксидов, образовавшихся на их поверхности при производстве.

В качестве упрочняющей фазы для покрытий системы NiCrSiB перспективным является диборид титана, который обладает высокой твердостью и износостойкостью [13] и для его производства на Украине имеются достаточные запасы сырья.

Целью настоящей работы является разработка технологии получения композиционных порошков на основе самофлюсующегося сплава NiCrSiB с дисперсными добавками диборида титана для высокоскоростного воздушно-топливного напыления и исследование закономерности влияния этих добавок на структурообразование, фазовый состав и свойства получаемых покрытий.

порошковая металлургия износостойкость напыление

1. Методика и материалы

В качестве материалов для высокоскоростного напыления покрытий использовали промышленный порошок марки ПР-НХ16СР3 (ОАО "Полема", Россия) состава (мас. %): Cr-16, B-2.7, Si-3.2, C-0.75, Fe<5, Ni - ост. и разработанные композиционные порошки НХТБ10, НХТБ20 и НХТБ40 на основе сплава ПР-НХ16СР3 с добавками 10,20 и 40 мас. % TiB₂ соответственно. Для напыления использовалась фракция порошков ПР-НХ16СР3 и НХТБ (-63 + 40) мкм.

В качестве исходных материалов для получения композиционных порошков НХТБ использовали промышленный порошок марки ПР-НХ16СР3 с фракцией (-63+30) мкм и порошок диборида титана (ТУ 6-09-03-7-75). Порошок TiB₂ измельчали на протяжении 7 минут в лабораторной планетарной мельнице в среде спирта, используя размольные тела из твердого сплава, соотношение массы смеси и шаров - 1: 3. После размола средний размер частиц TiB₂ составлял 2.5-2.7 мкм.

Композиционные конгломерированные порошки НХТБ получали путем смешивания исходных компонентов с последующим спеканием в вакууме, измельчением и классификацией по технологии описанной в работе [14].

Нанесение покрытий производилось методом высокоскоростного воздушно-топливного напыления горелкой ГВО-2РВ на топливной паре воздух - керосин при стехиометрическом соотношении компонентов. Давление в камере сгорания составляло 1,0 МПа, расход порошка - 4,5 ± 0,5 г/с. Покрытие наносилось за четыре прохода пятна напыления со скоростью перемещения 70 мм/с.

Фазовый состав, структуру порошков и покрытий исследовали с помощью растрового электронного микроскопа РЭМ 106. Химический анализ элементов в покрытии проводили при помощи анализатора JEOL JAMP 9500.

Микротвердость полученных покрытий определяли вдавливанием алмазной пирамиды Виккерса при нагрузке 0,05Н на приборе ПМТ-3.

Испытания на адгезионную прочность покрытий проводили на разрывной машине 1231У_10.

Количественный анализ пористости покрытий проводили с помощью специализированного материаловедческого комплекса SIAMS.

Триботехнические испытания проводили в условиях трения скольжения без смазки по схеме вал - частичный вкладыш на машине трения М-22м, разработки ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины. В качестве контртела (вал) использовали диск из закалённой стали 65 Г.

2. Результаты исследований и их обсуждение

Морфология, химический и фазовый состав, а также свойства порошков НХТБ подробно описаны в работе [14]. Каждая частичка порошка представляет собой композит, состоящий из металлической матрицы из сплава на основе никеля с равномерно распределёнными в ней зёрнами упрочняющих фаз боридов хрома и диборида титана (рисунок 1).

Рис.1. Композиционный порошок НХТБ.

Полученные покрытия имеют однородную поверхность с шероховатостью в пределах Rz40 - Rz80. Толщина покрытий составила 160 - 250 мкм. Из напыленных образцов были изготовлены поперечные шлифы для металлографических исследований.

Структура и фазовый состав полученных покрытий представлен на рисунках 2 - 5 и в таблице 1. Из рисунков видно, что покрытия образованы твердыми частицами, претерпевшими в момент высокоскоростного соударения пластическую деформацию и имеющими вследствие этого характерную куполообразную форму. Микроструктура покрытий отличается высокой однородностью и бездефектностью, границы между образующими их частицами почти не различимы. Покрытия плотно прилегают к подложке с минимальным количеством дефектов на границе.

Пористость покрытия составляет менее 1%, на некоторых полях измеренная пористость оказывается меньше погрешности ее определения.

Измеренные штифтовым методом значения адгезионной прочности покрытий составили 100 - 110 МПа.

Из рисунков видно, что покрытие из сплава ПР-НХ16СР3 фактически однофазное. Небольшое различие в цвете отдельных участков покрытия связано с незначительной неоднородностью химического состава исходного материала. Микротвёрдость на разных участках примерно одинаковая и находится в пределах 6,2 ± 0,1 ГПа. Покрытия из порошков НХТБ 10 - 40 имеют гетерофазную, мелкозернистую структуру. Металлическая матрица представляет собой сплав на основе никеля (таблица 1., спектры 3,6,9) и имеет микротвёрдость в пределах 5,9 - 9,3 ГПа. Разброс в значениях микротвёрдости связан с неравномерным распределением в сплаве матрицы хрома, железа и кремния, а также за счёт легирования её титаном (спектр 9) из-за частичного растворения в матрице диборида титана при получении порошкового материала.

а б

Рис.2. Структура (а) и фазовый состав (б) покрытия из материала ПР-НХ16СР3

а б

Рис.3. Структура (а) и фазовый состав (б) покрытия. из материала НХТБ-10.

Таблица 1.

Химический состав покрытий ПР-НХ16СР3, НХТБ

Снижение микротвёрдости матрицы до значений 5,9 ГПа связано с обеднением её хромом (спектры 3 и 6). Уменьшение количества хрома в сплаве связано с образованием новой фазы светло-серого цвета, отсутствующей в покрытии из исходного материала. Эта фаза присутствует во всех покрытиях НХТБ имеет микротвёрдость 12-15 ГПа и может быть идентифицирована как борид хрома (таблица 1, спектры 4,7,10) [15].

Таким образом, в покрытии увеличилось количество упрочняющих фаз не только за счёт вводимой упрочняющей добавки, но и за счёт синтеза новых фаз сложного состава повышенной микротвёрдости. Из рисунков 3-5 также видно, что количество и средний размер образовавшихся фаз меняется в за-висимости от процентного содержания TiB₂ в пок-рытии. В материале НХТБ-10 их размер находится в пределах 5 - 10 мкм., а объёмное количество, измеренное методом секущих (метод Розиваля) - 16%, НХТБ-20 - 1 - 8 мкм. и 19%, НХТБ-40 - 6 - 10 мкм. и 10% соответственно. Видно, что с увеличением в составе количества TiB₂ от 10 до 20% увеличивается и объёмное количество новых фаз.

При дальнейшем увеличении TiB₂ до 40% в композиции уменьшается количество металлической составляющей и начинает сказываться нехватка хрома - основного фазообразующего элемента и объём новых фаз уменьшается. -

а б

Рис.4. Структура (а) и фазовый состав (б) покрытия из материала НХТБ-20

Рис.5. Структура (а) и фазовый состав (б) из. материала покрытия НХТБ-40.

Изменение размеров зерен не столь значительно, как в случае напыления этих материалов плазменным способом [14]. Очевидно это связано с тем, что при плазменном напылении использовались порошки фракционного состава - 100 + 63 мкм. При таких размерах частиц существует возможность роста в них зерна до размеров 40-60 мкм.

Мелкодисперсная упрочняющая фаза TiB₂ представлена в покрытиях в виде включений тёмно-серого цвета (таблица 1, спектры 5,8,11). Размер включений меньше 2,5 мкм, поэтому микротвёрдость этой фазы измерить не удалось. Необходимо отметить, что распределение частиц диборида титана в покрытии НХТБ - 40 неравномерно. Мелкие зёрна TiB₂ сконцентрированы вокруг более крупных металлических участков, что не наблюдается в материалах НХТБ-10 и НХТБ-20. Этот эффект, возможно, объясняется тем, что материал НХТБ-40 спекается при более высоких температурах и при этом процесс растворения мелких частиц TiB₂ происходит более интенсивно. Это подтверждается повышением концентрации титана до 7,3% в сплаве матрицы (рисунок 5, таблица 1, спектр 9).

Триботехнические исследования проводили в условиях трения скольжения без смазки. Исследовались зависимости линейного износа пары от длины пути (3 км) при скоростях скольжения V = 0,5; 1; 3; 6 м/с и постоянной нагрузке 1 МПа, а также зависимость коэффициента трения от пути и от скорости. Результаты исследований показали, что добавление в самофлюсующийся сплав диборида титана приводит к существенному повышению износостойкости. Все покрытия из композиционных порошков НХТБ при разных скоростях скольжения имеют линейный износ в 3-5 раз меньше, чем покрытия из сплава ПР-НХ16СР3 (Рис.6). Наименьший износ у покрытия состава НХТБ-20 практически при всех скоростях скольжения, в связи с этим добавку диборида титана в количестве 20% мас., можно считать оптимальной, с точки зрения триботехнических характеристик покрытия. Износостойкость покрытий составов НХТБ10 и НХТБ40 близка по значениям при скоростях 0,5 и 6 м/с. и незначительно отличается при других скоростях скольжения. Для всех составов покрытий НХТБ оптимальной оказалась скорость 3 м/с. при этом износ составил 12-15 мкм/км. При дальнейшем увеличении ско-рости до 6 м/с у всех покрытий кроме НХТБ-20 износ увеличивается до 35-40 мкм/км. Износ покрытия НХТБ-20 составил 12 мкм/км, что позволяет говорить о его хорошей работоспособности в широком диапазоне скоростей. Более высокий износ покрытия НХТБ-10, возможно, объясняется недостаточностью упрочняющих фаз, а также схватыванием материала матрицы с контртелом.

а

б

в

г

Рис.6. Зависимость линейного износа пары "Покрытие - сталь ШХ15" от пути: а - V= 0,5 м/с; б - V= 1 м/с; в - V= 3 м/с; г - V= 6 м/с;

В материале НХТБ-40 наоборот наблюдается избыток упрочняющей фазы и недостаток металла матрицы. Покрытие более хрупкое и при сухом трении в условиях повышенных контактных температур происходит выкрашивание микрочастиц упрочняющей фазы с одновременным снижением стойкости к износу.

Более точные выводы о причинах снижения износостойкости можно будет сделать после проведения микроструктурного анализа дорожек трения, что является предметом дальнейших исследований авторского коллектива.

Зависимости коэффициента трения покрытий от пути и скорости скольжения представлены на ри-сунках 8 и 9. Из рисунков видно, что коэффициенты трения композиционных материалов НХТБ находятся в пределах 0,2 - 0,42, что ниже чем у исходного сплава ПР-НХ16СР3 - 0,5-0,6. Такие коэффициенты трения характерны для пар, работающих в условиях трения скольжения без смазки. При увеличении скорости скольжения коэффициент трения у композиционных материалов НХТБ снижается, тог-да как у сплава ПР-НХ16СР3 после 3 м/с он начинает увеличиваться.

Рис. 8. Зависимость коэффициента трения покрытий ПР-НХ16СР3 и НХТБ от пути (V = 6 м/с.).

Рис.9. Зависимость коэффициента трения покрытий ПР-НХ16СР3 и НХТБ от скорости (L = 3 км.).

Выводы