Прочностные свойства покрытий Al-Ti-Ni-Mo, полученных методом сверхзвукового плазменного напыления

Прочностные свойства покрытий Al-Ti-Ni-Mo, полученных  методом сверхзвукового плазменного напыления

УДК 669.055:669.71

Прочностные свойства покрытий Al-Ti-Ni-Mo, полученных  методом сверхзвукового плазменного напыления

Пономаренко1+ Артем Александрович, Красиков1* Сергей Анатольевич, Ильиных1* Сергей Анатольевич, Долматов1 Алексей Владимирович, Гельчинский1 Борис Рафаилович

1Институт Металлургии УрО РАН. Ул. Амундсена, 101. Г. Екатеринбург, 620016. Тел. [phone]. E-mail: *****@***ru.

Ключевые слова: сверхзвуковое плазменное напыление, адгезия, когезия, алюминотермия.

Аннотация

Представлены результаты исследования когезионной и адгезионной прочности покрытий на основе сплава Al-Ti-Ni-Mo, полученных при нанесении на стальную подложку с применением метода сверхзвукового плазменного напыления. Сплав получали алюминотермическим восстановлением оксидов в печи сопротивления. Были проведены испытания на трехточный изгиб и измерены показатели твердости. Показано, что покрытие на основе Al-Ti-Ni-Mo характеризуется высокими прочностными характеристиками и выдерживает напряжения в области упругой деформации.

Введение

Главной задачей исследователей - разработчиков покрытий является создание защитного слоя, который при деформации должен максимально долго сохранять свои эксплуатационные свойства. При этом разрушение носит характер «множественного растрескивания» [1, 2], при проявлении которого начало растрескивания не сразу приводит к разрушению слоя или его отслоению от основы. Покрытие при этом фрагментируется, но остается на основе и продолжает выполнять, хоть и не в полной мере, свою задачу по защите изделия. Такие свойства основы с нанесенным покрытием достигаются минимизацией доминирования когезионной или адгезионной прочности  [3]. В большинстве случаев исследователи и технологи изучают прочностные (твердость, адгезия, когезия) и трибологические (стойкость к абразивному и эрозионному износу, параметры трения, скольжения и пр.) свойства покрытий [4, 5]. В этой статье изучали прочностные характеристики интерметаллидного сплава на основе титана, алюминия, никеля и молибдена.

Методика эксперимента

Сплав получали алюминотермическим восстановлением оксидов в печи сопротивления. Затем его подвергали измельчению в вибрационном измельчителе до крупности 40-160 мкм. Метод сверхзвукового плазменного напыления с добавлением воздуха и его смеси с метаном, в качестве плазмообразующего газа, был использован для получения образцов покрытий Al-Ti-Ni-Mo на пластинках из стали Ст45 размером 100х15х1 мм [6]. Испытания на трехточечный изгиб осуществляли (рисунок 1) на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z050 (BT1-FR050THW/A1K). Расстояние между опорами было выставлено на 20 мм, пластина была установлена с покрытием вниз, чтобы нагрузка происходила от основания. Скорость перемещения подвижной траверсы устанавливали 4 мм/мин и выполняли по три испытания каждого покрытия.

Результаты и их обсуждение

Фотографии пластин с покрытием после испытания с характерными разрушениями для каждого покрытия и условий нанесения представлены на рисунке 2. Результаты тестов на трехточный изгиб показали, что у образцов с покрытием Al-Ti-Ni-Mo нет разрушений с центральной трещиной, но есть частичные разрывы на краях изгиба.

Рис. 1. Испытание образца с покрытием на трехточный изгиб.

Рис. 2. Минимальные разрушения покрытий на основе Al-Ti-Ni-Mo. А – воздух и метан, В – воздух.

Изменение усилия при трехточном изгибе в зависимости от движения индентера  представлено в рисунке 3. Анализ изменения усилия, зависящего от движения индентера  на трехточном изгибе [7], показал, что деформация начинается при значениях с 180-236 N/mm2.

Для определения характеристик твердости покрытий, полученных сверхзвуковым напылением порошковых составов различного содержания и косвенной оценкой их эксплуатационных свойств были измерены твердость по Роквеллу и микротвердость. Измерения твердости по Роквелла в единицах HRC были проведены ультрозвуковым инструментом UZIT-3 (пределы измерения, уравненного от 20-90 HRC, ошибка измерения была не больше, чем ±2.0 HRC). Значения твердости покрытий, полученных в атмосфере воздуха и смеси воздуха с метаном, представлены в таблице 1.

Таб. 2. - Твердость (HRC) покрытий на образцах Al-Ti-Ni-Mo полученная в атмосфере воздуха и соединении воздуха с метаном.

№	Methane, Air	Air
1	77.5	88.0
2	81.4	79.5
3	87.2	84.5
4	85.2	78.8
5	84.1	87.7
6	80.1	80.0
7	79.6	87.2
8	84.2	71.9

Разброс значений твердости связан с особенностями строения покрытия, его ламелярной  структурой, а также с многофазностью нанесенного композиционного материала, содержащего области с разной твердостью. При индентировании фазы, имеющей низкие показатели твердости находящейся поверх твердой частицы, происходит завышение значений и, наоборот – занижение при уколе алмазной пирамидкой твердой частицы находящейся в мягкой матрице. Измерения твердости по Роквеллу дают нам усредненную картину твердости в направлении перпендикулярном плоскости слоя в отличие от микротвердости, характеризующей свойства отдельных фаз композиционного покрытия.

Рис. 4. Среднее значение твердости HRC.

Анализ средних значений микротвердости (рисунок 4) показал, что их самые высокие значения для покрытий Al-Ti-Ni-Mo составляют 82 HRC, а пиковые значения микротвердости равнялись 88 HRC.

Выводы

1. Изучены адгезионные и когезионные свойства покрытия Al-Ti-Ni-Mo, нанесенного на стальную подложку. Показано, что покрытие характеризуется высокими прочностными характеристиками и выдерживает напряжения в области упругой деформации. При испытании на изгиб зафиксировано отслоение покрытия от основы, но без образования трещин.

2. Покрытие на основе Al-Ti-Ni-Mo имеет достаточно высокие прочностные свойства и с учетом хороших антикоррозионных свойств может быть рекомендовано для использования в различных областях машиностроения.

Благодарности

Выполненные расчеты проводились на оборудовании ЦКП “УРАЛМ” ИМЕТ УрО РАН. Работа выполнена при финансовой поддержке УрО РАН по проекту 15-17-3-41 программы фундаментальных научных исследований УрО РАН.

Литература

[1]. , , Газотермические покрытия из порошковых материалов. Киев: Наукова думка. 1987. 543 с.

[2]. , , Фазообразование при металлотермическом получении сплавов Al-Ti-Ni-Mo // Материалы 13-й международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий».  Киев: АТМ Украины. 2013. С.116.

[3]. , , и др. Опыт исследования и применения технологии нанесения детонационных покрытий. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. С.569.

[4]. , Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий. Новосибирск: Наука. 1986. 216 с.

[5]. Silvano Rech, Andrea Trentin, Simone Vezzu. Different Cold Spray Deposition Strategies: Single - and Multi-layers to Repair Aluminium Alloy Components. Journal of Thermal Spray Technology 2013.

[6]. , , Термодинамические и кинетические особенности совместного алюминотермического восстановления титана и циркония из оксидов. Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 45. № 1. С. 130-135.

[7]. Krasikov S. A., Dolmatov A. V., Ponomarenko A. A., Osinkina T. V., Yakovlev G. A. Research of phase formation of alloys Al-Ti obtained by aluminotermic method. XX Mendeleev congress on general and applied chemistry The XX Mendeleev Congress is held under the auspices of the International Union of Pure and Applied Chemistry. 2016. С. 159.

Strength properties of Al-Ti-Ni-Mo coatings obtained by supersonic plasma spraying

Artem A. Ponomarenko1+, Sergey A. Krasikov1*, Sergey A. Ilynych1*, Aleksey V. Dolmatov, Boris R. Gelchinski

Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. Amundsen, 101, Ekaterinburg, 620016. Phone [phone]. E-mail: *****@***ru

Keywords: supersonic plasma dusting, adhesive, cohesive, aluminothermy.

Abstract

Results of research and assessment of cohesive and adhesive durability of a coating of the alloy of Al-Ti-Ni-Mo system applied with a supersonic plasma dusting on a steel substrate are presented. The alloy was obtained by aluminothermic reduction of oxides in a resistance furnace. Three-point bending tests were performed and hardness values ​​were measured. It is shown that this coating is rather strong and maintains tension in the field of elastic deformation.

Acknowledgements: The calculations and experiments were performed at the center of common usage “URAL-M” (IMET UB RAS) facilities. The work was performed with financial support of UB RAS on the project 15-17-3-41 of fundamental scientific researches program of UB RAS.

References

[1]. Y. S. Borisov, Y. A. Harlamov, S. L. Sidorenko, E. N. Ardatovskaya.  Gas thermal coatings from powder materials. Kiev: Naukova dumka. 1987. P. 543

[2]. S. A. Ilinyh, S. A. Krasikov, A. A. Ponomarenko, O. A. Sitnikova, B. R. Gelchinsky, V. A. Krashaninin. Phase formation in metallothermic production of Al-Ti-Ni-Mo alloys. Materials of the 13th International Scientific and Technical Conference "Surface Engineering and Renovation of Products". Kiev: 2013. P. 116.

[3]. V. Y. Ulyanitsky, M. V. Nenashev, V. V. Kalashnikov,  Experience in research and application of detonation coating technology. Izvestiya of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2010 Vol. 12. P. 569.

[4]. L. I. Tushinsky, A. V. Plohov, Investigation of the structure and physico-mechanical properties of coatings. Novosibirsk: science. 1986. P. 216.

[5]. Silvano Rech, Andrea Trentin, Simone Vezzu. Different Cold Spray Deposition Strategies: Single - and Multi-layers to Repair Aluminium Alloy Components. Journal of Thermal Spray Technology 2013. P. 89.

[6]. E. M Zhilina, S. A. Krasikov. S. N. Agafonov. L. B. Vedmid. S. V. Jidovinova,  Thermodynamic and kinetic features of the joint aluminothermic reduction of titanium and zirconium from oxides. Butlerov Communications. 2016. Vol. 45. № 1. P. 130-135.

[7]. Krasikov S. A., Dolmatov A. V., Ponomarenko A. A., Osinkina T. V., Yakovlev G. A. Research of phase formation of alloys Al-Ti obtained by aluminotermic method. XX Mendeleev congress on general and applied chemistry. 2016. С. 159.

Рис.3. Напряжение после упругой деформации.

, , Прочностные свойства покрытий Al-Ti-Ni-Mo, полученных методом сверхзвукового плазменного напыления.

Ключевые слова: сверхзвуковое плазменное напыление, адгезия, когезия, алюминотермия.

Тип публикации: полная исследовательская публикация.

Страница 2.

– Институт металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург, улица Амундсена 101), младший научный сотрудник, специалист в области порошковой металлургии. E-mail: *****@***ru

- Институт металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург, улица Амундсена 101), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области порошковой металлургии. E-mail: *****@***ru

– Институт металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург, улица Амундсена 101), доктор технических наук, заведующий лабораторией электротермии восстановительных процессов, специалист в области свойств и технологии редкометалльных сплавов. *****@***ru

– Институт металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург, улица Амундсена 101), кандидат химических наук, старший научный сотрудник, специалист в области композитных материалов. E-mail: dolmatov. *****@***com

– Институт металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург, улица Амундсена 101), доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией порошковых, композиционных и нано-материалов, специалист в области композитных материалов.  E-mail: *****@***ru

Ponomarenko Artem - Institute of Metallurgy of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, junior researcher, the expert in the field of powder metallurgy.

Ilynych Sergey - Institute of Metallurgy of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, candidate of Technical Sciences, senior research associate, the expert in the field of powder metallurgy.

Dolmatov Aleksey - Institute of Metallurgy of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, candidate of Chemistry, senior research associate, the expert in the field of composite materials.

Gelchinski Boris - Institute of Metallurgy of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, doctor of physical and mathematical sciences. Head of the laboratory powder, composition and nano-materials. The expert in the field of composite materials.

Krasikov Sergey - Institute of Metallurgy of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Technical Sciences, head of the laboratory of electrothermics of the reduction processes, , the expert in the field of composite materials.