1. Введение.
Известно [1–10], что обработка многослойных плазменных покрытий интенсивными высокоэнергетическими потоками: электронными, ионными, лазерными и плазменными, сопровождается нагревом обрабатываемой поверхности (иногда выше температуры плавления исходного материала) с последующим быстрым переохлаждением поверхностного слоя покрытия со скоростью, достигающей значений 1010 К/с. Возникающие при этом градиенты температур и легирование исходного материала в процессе обработки зачастую приводят к структурным и фазовым превращениям в поверхностных слоях осаждаемых материалов и, соответственно, к изменению их технологических свойств: твердости, износостойкости, жаростойкости, адгезионной прочности [1–7]. Совершенно новые возможности для непрерывной модификации свойств покрытий и существенного улучшения результирующих эксплуатационных характеристик предоставляет использование компрессионных плазменных потоков, которые генерируются квазистационарными плазменными ускорителями [1, 3]. Данный метод имеет ряд преимуществ перед другими методами высокоэнергетической обработки: малое время воздействия (порядка ~100 мкс), возможность дополнительного легирования получаемых слоев покрытия элементами предварительно нанесенного покрытия, использование газа, используемого не только для нагрева покрытия, но и для его легирования. Совместное перемешивание компрессионными плазменными потоками системы основа-покрытие позволяет получить приповерхностный слой, содержащий элементы как покрытия, так и основы. Целью наших исследований являлось исследование плазменных покрытий при высокоэнергетическом воздействии компрессионного плазменного потока, изучение изменений элементного состава покрытия, структурно-фазовых превращений и технологических свойств модифицированного слоя, создание научных основ новых методов, позволяющих существенно улучшить свойства плазменных износостойких покрытий, широко используемых в ряде отраслей промышленности.
Технологические особенности процесса обработки импульсами компрессионной плазмы. Известно, что при ударно-волновых воздействиях импульсов компрессионных плазменных потоков происходит пластическая деформация и значительное уплотнение обрабатываемого слоя нанесенного плазменного покрытия. Результатом термического воздействия импульсов компрессионной плазмы является сверхбыстрое охлаждение и соответствующий отвод тепла в подложку после расплавления сформированного слоя толщиной порядка 20-30 мкм. В модифицированной области происходят значительные структурно-фазовые изменения. Воздействие высокотемпературных плазменных импульсов на систему «основа-покрытие» приводит к плавлению образующегося покрытия и базового слоя и последующему жидкофазному смешению этих компонентов под действием давления плазменного потока. Воздействие плазменных потоков на поверхность получаемого материала приводит к существенным изменениям морфологии. Степень кратковременного плавления в композициях, содержащих различные фазы, влияет на количество центров попутной кристаллизации, приводя к упрочнению структур при сверхбыстром охлаждении. В структурах происходит изменение их ближнего порядка, материал в формируемом покрытии приходит в состояние, близкое к аморфному [1]. Степень пластической деформации существенно влияет на вероятность образования аморфных структур. Соответственно, при воздействии компрессионных плазменных потоков на покрытия Al2O3-TiO2-NiCrAlITа и Al2O3-TiO2-Mo основным признаком оптимизации является максимальное плавление на минимально возможных дистанциях воздействия с соответствующим увеличением уровней термического, ударного и волнового воздействия импульсов. Возможный минимум ограничивается появлением признаков дефектности формируемого покрытия (крупные поры и сеть трещин на поверхности, сколы). Проводится оценка степени плавления и уплотнения полученных покрытий, а также признаков разрушения. При исследовании тонких шлифов, обработанных компрессионной плазмой, оценка вариантов прошивки проводилась на металлографическом микроскопе (MeF-3) и на анализаторах (МОП-АМО3, AutoScan). Совместно с исследованием свойств, формируемых при оптимизации, изучались усредненные параметры микротвердости, характеристики формируемых покрытий, коррелирующей со степенью аморфизации (микротвердомер «Микромет-II»). Покрытия создавались с использованием магнитоплазменного компрессора (МПК) - газоразрядного квазистационарного ускорителя (рисунок 1 а), включающего энергетический блок, вакуумный блок (камеру с необходимыми системами откачки и напуска рабочего газа (водорода)), диагностический комплекс, контрольно-измерительный блок, синхронизирующий все узлы установки. Вакуумная камера длиной 150 см, на конце - разрядное устройство МПК. Система подачи рабочего газа позволяет использовать любые газы, а также их смесь в любом соотношении. Общий вид разрядного устройства, используемого для создания компрессионной плазмы, показан на рисунке 1б.
Накопитель энергии конструктивно представляет собой комплекс из батареи конденсаторов для питания МПК и батарей конденсаторов, обеспечивающих работу электродинамического клапана, впускает рабочий газ. Главным преимуществом МПК является высокая стабильность потока сжатия с возможностью корреляции параметров управления, составов и размеров потока, длительности разряда, что позволяет осуществлять практические приложения [2]. МПК работал в так называемом режиме «остаточного газа» - предварительно откачанная вакуумная камера заполнялась рабочим газом (азот или водород) до необходимого давления (возможна работа в диапазоне 133-1330 Па). Режимы работы МПК-длительность разряда - 140 мкс, амплитудные показатели тока разряда - от 50 до 100 кА (в зависимости от начальных параметров разряда). В результате формируется компрессионный плазменный поток с показателями – длина 10 см, диаметр 1–2 см (в области максимального сжатия). В соответствии с исходными параметрами ускорителя скорость плазмы полученного компрессионного потока составляет порядка (2–7).106 см/с. Результирующая концентрация заряженных частиц в области максимального сжатия при этом достигает порядка (5–10).1017 см-3, а температура – 1–3 эВ. Обработка исследуемых покрытий на образцах проводилась при воздействии на поверхность одного или серии импульсов компрессионного плазменного потока, число которых в разных экспериментах варьировалось от 10 до 17. Схема разрядного устройства МПК представлена на рисунке 2.
|
|
|
|
а |
b |
Рисунок 1. Общий вид исследовательского стенда – магнитоплазменного компрессора (а); общий вид разрядного устройства МПК (б)
Плотность энергии [8], поглощаемая образцом с покрытием, варьировалась от 3 до 40 Дж/см2 за импульс путем изменения расстояния от среза разрядного устройства до образца, а также путем изменения начального напряжения на накопителе энергии МПК. Полученная зависимость плотности энергии, поглощаемой поверхностью, от расстояния до разрядного устройства МПК при работе в атмосфере азота при параметрах P0=665 и 1330 Па и начальном напряжении на накопителе энергии ускорителя U0=3,5 кВ представлена на рисунке 3. Значения поглощенной поверхностной плотности энергии мишени при изменении расстояния от среза катода до образца от 8 до 16 см уменьшаются почти в 5 раз при P0=665 Па.
Рисунок 2. Процесс модификации под воздействием импульсов компрессионного плазменного потока на образец с нанесенным плазменным покрытием.
Используя принятую методику, изменяя используемые технологические характеристики процесса обработки импульсами компрессионного плазменного потока, изменяли как расстояние под воздействиями, так и их количество [7-11]. Количество импульсов существенно влияет на толщину обрабатываемых слоев. Общее количество импульсов должно создавать оплавленное покрытие с высокими прочностными характеристиками по всей толщине покрытия. Согласно данным оптимизации (таблицы 1 и 2), оптимальные расстояния для формирования упрочненных структур для NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 составляют 0,13 м; для Mo-Al2O3-TiO2 - 0,14 м. Это подтверждается стабилизацией общей пористости, на расстояниях ниже 0,13 и 0,14 м не наблюдается ее снижения за счет мгновенного динамического и термического воздействия (около 200 мкс), а также максимальным содержанием тугоплавкой фазы, что снижает степень оплавления. На расстояниях менее 0,11 м для NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 и 0,12 м для Mo-Al2O3-TiO2 заметны дефекты с развитием макротрещин.
Рисунок 3. Зависимость плотности энергии, поглощаемой обработанной поверхностью образца, от используемого расстояния до разрядного устройства магнитоплазменного компрессора.
Также нами было оптимизировано общее количество импульсов в компрессионной плазме. При обработке системы малым количеством импульсов наблюдается неполное плавление и частичное перемешивание компонентов системы. Обработка большим количеством импульсов характеризуется более равномерным перемешиванием. Увеличение микротвердости может быть также обусловлено эффектами быстрой закалки: образец испытывает резкий нагрев до плавления поверхностного слоя с последующим отводом тепла в глубь образца и быстрой рекристаллизацией. В результате исследований выявлено, что для полной обработки сформированных покрытий для NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 необходимо 14-15 ударов, для Mo-Al2O3-TiO2 - 12-13. Дальнейшее увеличение не требуется, ухудшаются геометрия создаваемой поверхности покрытия и технологические характеристики покрытия из-за переплава.
Таблица 1. Полученные значения для оптимизации расстояния обработки компрессионных плазменных импульсов.
|
Покрытие |
Дальность обработки компрессионными плазменными импульсами, м |
Индекс полученной пористости, % |
Индекс микротвердости, МПа |
|
Al2O3- TiO2-Мо |
0,17 |
4,9-6,1 |
5433-7989 |
|
0,16 |
4,5 – 5,9 |
5948-8074 |
|
|
(4960-6731) |
|||
|
0,15 |
3,8 – 5,1 |
6349-8565 |
|
|
(5292-7131) |
|||
|
0,14 |
3,1 – 4,6 |
7240-9380 (6035-7821) |
|
|
0,13 |
3,4-4,9 |
6813-8522 |
|
|
(5681-7100) |
|||
|
0,12 |
Разрушение покрытия |
- |
|
|
Al2O3- TiO2- NiCrAlIТа |
0,17 |
4,5-5,8 |
5775-8644 |
|
(4621-6910) |
|||
|
0,16 |
4,0-5,3 |
6286-9033 |
|
|
(5025-7227) |
|||
|
0,15 |
3,7 – 4,9 |
7312-9350 |
|
|
(5850-7482) |
|||
|
0,14 |
2,8 – 4,5 |
7414-9695 |
|
|
(5931-7761) |
|||
|
0,13 |
2,6 – 3,9 |
7775-9914 |
|
|
(6221-7934) |
|||
|
0,12 |
3,4-4,3 |
6286-8033 |
|
|
(5032-6429) |
|||
|
0,11 |
Разрушение покрытия |
- |
Таблица 2. Полученные значения для оптимизации количества импульсов компрессионной плазмы.
|
Формируемое покрытие |
Общее количество импульсов компрессионной плазмы |
Индекс полученной пористости, % |
Индекс микротвердости, МПа |
|
Al2O3-TiO2-Мо Дистанция обработки (0,14 м) |
10 |
5,9-6,6 |
5443-7798 |
|
11 |
4,2 – 5,3 |
6189-8004 |
|
|
12 |
3,2 – 4,7 |
6940-9089 |
|
|
13 |
3,1 – 4,6 |
7240-9380 |
|
|
14 |
4,5-6,3 |
6581-8442 |
|
|
15 |
4,9-6,7 |
6335-7994 |
|
|
Al2O3-TiO2- NiCrAlIТа Дистанция обработки (0,13 м) |
11 |
4,5-5,8 |
6357-8394 |
|
12 |
3,0-4,11 |
7148-9193 |
|
|
13 |
3,2 – 4,4 |
7381-9495 |
|
|
14 |
2,6 – 3,9 |
7775-9914 |
|
|
15 |
2,8 – 4,1 |
7976-10199 |
|
|
16 |
3,6-4,9 |
7621-9103 |
|
|
17 |
4,5-5,4 |
7109-8998 |
Общее количество импульсов для порошковых материалов NiCrAlITa-Al2O3-TiO2 больше, чем для Mo-Al2O3-TiO2. Это следует из механизма послойной обработки, при котором размеры формируемой зоны от одного импульса напрямую зависят от условий теплопередачи в глубину создаваемого покрытия. При ухудшении условий теплопередачи, например, при создании высокой общей пористости или неоднородности, требуется большая зона для концентрации энергии и толщина слоя покрытия, получаемого в результате обработки одиночным импульсом. Это характерно для порошков Al2O3-TiO2-Mo, поскольку они характеризуются структурой с развитой пористостью и меньшей плотностью по сравнению с порошковыми материалами Al2O3-TiO2-NiCrAlITа.
При снижении значений теплопередачи и увеличении толщины слоя, формируемого одним импульсом, сумма импульсов на окончательную обработку всего покрытия становится меньше. Структуры износостойких покрытий, сформированных на оптимизированных режимах обработки, представлены на рисунке 4. В расплавленном металлокерамическом материале достаточно однородное распределение структурных элементов способствует повышению параметров износостойкости сформированных порошковых композиций. На структурах видны следы частиц Мо и никелевых сплавов в виде характерных светлых раковин. Существенные изменения морфологии созданной поверхности вызваны воздействием плазменных потоков. О том, что состав используемых порошковых материалов незначительно изменялся в процессе формирования покрытий, свидетельствует сохранившаяся структура композиционных частиц после их соударения с подложкой и воздействия плазменных импульсов. Это является качественным показателем для создания необходимых эксплуатационных свойств, которые дополнительно улучшаются при использовании следующей модификации.
|
|
|
|
a) |
b) |
Рисунок 4. Структуры разработанных износостойких: (а) Mo-Al2O3-TiO2; (б) NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 после модифицирования (×500)
2. Заключение. Проведенные исследования позволили установить, что при воздействии компрессионных плазменных потоков на полученные износостойкие плазменные покрытия происходят следующие процессы. Высокое количество энергии, передаваемой плазменным потоком покрытию, способствует плавлению поверхностного слоя толщиной 10–70 мкм в зависимости от обрабатываемого материала покрытия. При воздействии плазменного потока определенная часть материала покрытия может быть удалена за счет эффекта абляции. Причем количество удаляемого материала будет увеличиваться с увеличением энергии, передаваемой покрытию плазменным потоком. Под воздействием давления плазменного потока в расплавленном слое покрытия будет происходить жидкофазное перемешивание. На последнем этапе поверхностный слой покрытия затвердевает в условиях сверхбыстрого охлаждения. Оказывается, что фазовый и элементный состав поверхностного слоя покрытия существенно изменяется. В покрытии образуется слой, содержащий элементы покрытия и плазмообразующего газа.
Рисунок 5. Показатели микротвердости сформированных покрытий Mo-Al2O3-TiO2 (1, 2) и NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 (3, 4) (1, 3 – процесс формирования плазменного покрытия; 2, 4 – после модифицирования компрессионной плазмой)
А в случае многостадийной обработки системы «покрытие-основа» формируется слой, содержащий элементы и покрытия, и основы, и плазмообразующий газ. С увеличением поглощаемой покрытием энергии за счет уменьшения расстояния от электродов до детали или увеличения числа входных импульсов обработки уменьшается концентрация легирующих покрытие элементов в поверхностном слое, что, в свою очередь, приводит к уменьшению концентрации в нем интерметаллических соединений. Это обусловлено как увеличением интенсивности процесса абляции, так и увеличением толщины смешанного слоя покрытия (более глубоким проникновением элементов покрытия в основу). Результирующая толщина смешанного слоя зависит как от режимов обработки, так и от материалов покрытия и основы. Используя принятую методику, изменяя используемые технологические характеристики процесса обработки импульсами компрессионного плазменного потока, изменялось как расстояние под воздействиями, так и их количество. Количество импульсов существенно влияет на толщину обрабатываемых слоев. Суммарное количество импульсов должно создавать оплавленное покрытие с высокими прочностными характеристиками по всей толщине покрытия. По данным оптимизации оптимальные расстояния для формирования упрочненных структур для NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 составляют 0,13 м; для Mo-Al2O3-TiO2 - 0,14 м. Это подтверждается стабилизацией общей пористости, на расстояниях ниже 0,13 и 0,14 м не наблюдается ее снижения за счет мгновенного динамического и термического воздействия (около 200 мкс), а также максимальным содержанием тугоплавкой фазы, что снижает степень оплавления. На расстояниях ниже 0,11 м для NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 и 0,12 м для Mo-Al2O3-TiO2 заметны дефекты с развитием макротрещин. Также нами оптимизировано суммарное количество импульсов в компрессионной плазме. При обработке системы малым количеством импульсов наблюдается неполное расплавление и частичное перемешивание компонентов системы. Обработка большим количеством импульсов характеризуется более равномерным перемешиванием. Увеличение микротвердости может быть также обусловлено эффектами быстрой закалки: образец испытывает резкий нагрев до плавления поверхностного слоя с последующим отводом тепла в глубь образца и быстрой рекристаллизацией. В результате исследований выявлено, что для полной обработки сформированных покрытий для NiCrAlITа-Al2O3-TiO2 необходимо 14-15 ударов, для Mo-Al2O3-TiO2 - 12-13. Дальнейшее увеличение не требуется, геометрия формируемой поверхности покрытия и технологические характеристики покрытия ухудшаются из-за переплава. Структура износостойких покрытий, сформированных на оптимизированных режимах обработки, представляет собой оплавленный металлокерамический материал с достаточно однородным распределением структурных элементов, способствующих повышению параметров износостойкости сформированных порошковых композиций. Следы частиц Mo и никелевых сплавов видны на структурах в виде характерных светлых оболочек. Существенные изменения морфологии созданной поверхности вызваны воздействием плазменных потоков. О том, что состав используемых порошковых материалов незначительно изменялся в процессе формирования покрытий, свидетельствует сохранившаяся структура композиционных частиц после их столкновения с подложкой и воздействия плазменных импульсов. Это является качественным показателем для создания необходимых эксплуатационных свойств, которые еще больше улучшаются при использовании последующих модификаций. При исследовании полученных свойств сформированных покрытий анализировалось изменение средней микротвердости нанесенных композиций. Микротвердость увеличилась в 1,15–1,25 раза после применения модификации, что объясняется более эффективным образованием фаз с повышенной прочностью и аморфной структурой при локальном плавлении покрытий толщиной примерно 30–50 мкм с последующим мгновенным охлаждением, а также возможностью игнорировать процесс рекристаллизации.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ilyushchenko, A. F. High-energy processing of plasma coatings / A. F. Ilyushchen- ko, V. A. Okovity, A. I. Shevtsov. – Minsk: Besprint, 2007. – 246 p.
2. Okovity, V. A. Formation and study of multilayer composite oxide plasma coatings on elements of screen anti-meteor protection ”for an international scientific and technical journal / Okovity V. A., Panteleenko F. I., Devoino O. G., Okovity V. V., Astashinsky V. M., Khramtsov P. P., Chernik M. Yu., Uglov V. V., Sobolevsky S. B. // “Science and technology” BNTU, 2016. – Issue 5. – P.357-364.
3. Panteleenko, F. I. Investigation of plasma two-layer composite coatings zirconium dioxide - nichrome / Panteleenko F. I., Okovity V. A., Panteleenko E. F. // “Actual problems in mechanical engineering”, NSTU – Novosibirsk- 2017. Volume 4. No. 3. – P. 100-105.
4. Okovity, V. A. Multilayer composite oxide plasma coatings on screen protection el- ements based on zirconium dioxide. / Okovity V. A., Panteleenko F. I., Okovity V. V., Astashinsky V. M., Khramtsov P. P., Chernik M. Yu., Uglov V. V., Sobolevsky S. B. // "Sci- ence and technology", BNTU – Minsk. – 2017. Issue 5. – P. 422-4311.
5. Okovity, V. A. Formation and study of plasma two-layer composite coatings (vis- cous NiCr metal layer and solid ZrO2) / Okovity V. A., Panteleenko F. I., Okovity V. V., Astashinsky V. M., Khramtsov P. P., Chernik M. Yu., Uglov V. V., Sobolevsky S. B. // Sci- ence and technology, BNTU – Minsk. – 2018. – Issue. 1. – S. 21-28.
6. Ilyuschenko, A. Ph. Laser processing of plasma spraying coatings /А. Ph. Il- yuschenko, V. A. Okovity, N. K. Tolochko // Materals and manufacturing processes. – New York (USA) – 2002. – vol.17. – No. 2. – P. 157-167.
7. Wang, Yu. Laser remelting of the surface of nanostructured Al2O3-13 wt.% TiO2 coatings deposited by plasma spraying on a titanium alloy / Yu. Wang, G. Li, V. Tian, Yu. Yang // Applied Surface Science. – 2009. – T. 255. – S. 8603–8610.
8. Laser remelting of plasma nanostructured Al2O3-TiO2 coatings at different laser power / Yu. Wang [et al.] // Technology of Surfaces and Coatings. – 2010. – T. 204. – S. 3559-3566.
9. Dubur, L. Properties of alumina-titanium coatings obtained by laser deposition in air plasma / L. Dubur, R. S. Lima, K. Moro // Technology of surfaces and coatings. – 2007. – T. 201. – S. 6278-6284.
10. Development of the microstructure of laser-remelted coatings Al2O3-13 wt. % TiO2 / S. G. Li [et al.] // Journal of alloys and compounds. – 2013. – T. 576. – S. 187-194.