Использование высокоэнергетического пучка электронов для формирования покрытий карбид титана - титановая матрица

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ КАРБИД ТИТАНА - ТИТАНОВАЯ МАТРИЦА

, ассистент,

, аспирант,

, аспирант,

, к. т.н., доц.

Новосибирский государственный технический университет,

630073, Россия, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20

тел.[phone]

E-mail: *****@***ru

В настоящее время известно множество способов поверхностного упрочнения металлов. Одним из эффективных методов, позволяющих в десятки раз повысить триботехнические свойства металлов, является поверхностное упрочнение карбидами IV-V групп периодической системы химических элементов Менделеева. Несмотря на многообразие карбидных фаз, наибольшее распространение для упрочнения железоуглеродистых и титановых сплавов получили карбиды титана TiC [1-6]. Они отличаются высокой твердостью и износостойкостью [7, 8].

Формирование карбидных частиц в наплавленном слое возможно при реализации нескольких подходов:

1. Введение карбидных частиц непосредственно в расплав. Частицы в процессе кристаллизации не успевают раствориться и сохраняют свою исходную форму и размеры. Подача шихты в ванну расплава происходит в струе защитного газа или дозировано через бункер [9]. Основным недостатком данной технологии является низкая адгезия карбидных частиц и матрицы, что способствует отделению частиц в процессе изнашивания. Данный подход обычно реализуется при лазерной и электронно-лучевой наплавке в вакууме [9].

2. Переплав поверхностного слоя материала заготовки с предварительно нанесенными порошковыми смесями. В качестве наплавочных смесей может использоваться смесь графита с металлом или порошок карбида. При реализации данного подхода морфология карбидных частиц не зависит от исходного состава наплавляемой порошковой смеси, так как в процессе обработки происходит полное или частичное растворение углерода и карбида титана в ванне расплава [2, 6, 8, 10-13]. Выделение частиц упрочняющей фазы происходит в процессе кристаллизации. Сформированные частицы карбидов отличаются высокой адгезией к матричному материалу.

В данной работе для синтеза карбидных частиц в поверхностных слоях титана был выбран метод вневакуумной электронно-лучевой обработки (ВЭЛО). Данная технология отличается высокой производительностью и позволяет формировать покрытия толщиной от 1 до 3 мм [2, 6, 13].

В качестве наплавочного материала использовался порошок карбида титана. Для защиты ванны жидкого расплава от негативного воздействия атмосферных газов в шихту добавляли 50 % (вес.) фтористого кальция (CaF2). Порошковая смесь перемешивалась и равномерно наносилась на титановую заготовку (100х50х10 мм) в количестве 5 г на 1 см2. В процессе обработки заготовка, закрепленная на столе перемещалась со скоростью 25 мм/с. Значение тока пучка электронов при обработке составляло 32 мА. Для формирования наплавленного слоя по всей ширине титановой заготовки осуществлялось сканирование пучка электронов с частотой 50 Гц.

Методами структурного анализа было выявлено градиентное строение материала (рис. 1 б). Условно полученный материал можно разделить на три зоны, различные по своему строению (рис. 1 а): зона наплавленного слоя, зона термического влияния (ЗТВ) и зона с исходной структурой титана.

а б

Рис. 1. Строение материалов, полученных в процессе вневакуумной электронно-лучевой наплавке порошка карбида титана.

В наплавленном слое толщиной 1,6 мм формируются карбидные частицы различной морфологии:

1. Округлые частицы (О, рис. 1 а). Частицы данного типа в основном выделяются в приповерхностной зоне наплавленного покрытия и почти не встречаются в средней зоне.

2. Частицы дендритной морфологии (Д, рис. 1 а). В зависимости от режимов обработки возможно выделение дендритов различного типа. Обычно дендриты имеют оси первого и второго порядка, также наблюдаются оси третьего и более высоких порядков. В удаленных от поверхности объемах наплавленного слоя карбидные частицы данного типа вытягиваются, а оси первого порядка становятся более тонкими. При этом размеры дендритных кристаллов в основном соизмеримы с размерами зерен матричной фазы.

3. Мелкодисперсные частицы, распределенные по границам матричных зерен и выделяющиеся в виде цепочек (Э, рис. 1 а). Как правило, данные частицы наблюдаются вблизи зоны термического влияния и реже встречаются в первой и второй зоне наплавленного слоя. Данные частицы часто образует сплошную сетку по границам зерен и входят в состав эвтектики Ti-TiC.

Микротвердость упрочненного материала напрямую зависит от объемной доли карбидной фазы. Максимальное значение микротвердости (~800 HV) зафиксировано в зоне 1 (рис. 1 а), объемная доля карбида титана в которой достигает ~55 %. Снижение среднего значения микротвердости в зоне 2 обусловлено снижением объемной доли карбидной фазы до ~30 %. В зоне 3 содержание карбида титана уменьшается до ~14 % и микротвердость составляет ~350 HV.

Таким образом, при воздействии высокоэнергетического пучка электронов на обрабатываемый материал формируются упрочненные слои высокого качества, содержащие высокопрочные карбиды титана различной морфологии. Данный подход обеспечивает повышение микротвердости материала в 2 раза по сравнению с твердостью исходного титана.

Список литературы:

1.  Lee J., Euh K., Oh J. C.,  Lee S. Microstructure and hardness improvement of TiC/stainless steel surface composites fabricated by high-energy electron beam irradiation // Mater. Sci. Eng., A. – 2002. – Vol. 323. – P. 251 – 259.

2.  Mul D. O. , Krivezhenko D. S., Lazurenko D. B., Lenivtseva O. G., Chevakinskaya A. A. Structure and Properties of Coatings Obtained by Electron-Beam Cladding of Ti+C and Ti+B4C Powder Mixtures on Steel Specimens at Air Atmosphere // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1040. – Р. 778–783.

3.  , , Салимов -лучевая наплавка покрытий на титановые сплавы // Физика и химия обработки материалов. – 2009. – № 1. – С. 56 – 64.

4.  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 // Surf. Coat. Technol. – 2004. – Vol. 184. – P. 74 – 83.

5.  , Структурообразование, фазовый состав и свойства композиционных материалов на основе карбида титана : учебное пособие. – Томск : Изд-во. Томского политехнического университета, 2011. – 190 с.

6.  Lenivtseva O., Golovin E., Samoylenko V., Mul D., Golovin D. Structure and properties of surface layers obtained by atmospheric electron beam cladding of graphite-titanium powder mixture on to titanium substrate // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1040. – Р. 784–789.

7.  ,  В.,  П., Карбид титана: получение, свойства, применение. – Москва : Металлургия, 1987. – 216 с.

8.  Zhang K., Zou J., Li J., Yu Z., Wang rface modification of TC4 Ti alloy by laser cladding with TiC+Ti powders // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2010. – Vol. 20. – P. 2192-2197.

9.  Farayibi P. K., Folkes J., Clare A., Oyelola O. Cladding of pre-blended Ti–6Al–4V and WC powder for wear resistant applications // Surface and Coatings Technology. –2011. – Vol. 206. – P. 372-377

10.  Courant B., Hantzpergue J. J., Benayoun S. Surface treatment of titanium by laser irradiation to improve resistance to dry-sliding friction // Wear. – 1999. – Vol. 236. – P. 39 – 46.

11.  Zhang K., Zou J., Li J., Yu Z., Wang rface modification of TC4 Ti alloy by laser cladding with TiC+Ti powders // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2010. – Vol. 20. – P. 2193 – 2197.

12.  Savalani M. M., Ng C. C., Li Q. H., Man H. C. In situ formation of titanium carbide using titanium and carbon-nanotube powders by laser cladding // rf. Sci. – 2012. – Vol. 258. – P. 3173 – 3177.

13.  , , Достовалов износостойких покрытий на титановых сплавах методом вневакуумной электронно-лучевой обработки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2013. – № 3. – С. 103–109.