Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий
- Авторы: Пугачева Н.Б.1, Быкова Т.М.1, Сирош В.А.1, Макаров А.В.1
-
Учреждения:
- Выпуск: Том 26, № 3 (2024)
- Страницы: 250-266
- Раздел: МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
- URL: https://bakhtiniada.ru/1994-6309/article/view/293463
- DOI: https://doi.org/10.17212/1994-6309-2024-26.3-250-266
- ID: 293463
Цитировать
Аннотация
Введение. Изучены многослойные высокотемпературные покрытия, полученные при помощи плазменного напыления. Комбинация слоев разного химического и фазового состава позволила повысить износостойкость в 1,5–2,0 раза. Цель работы: исследование влияния химического состава напыляемых покрытий на фазовый состав, структуру, микромеханические и трибологические характеристики в условиях сухого трения скольжения поверхностных слоев. Материалы и методы исследования. Покрытия А и Б состоят из последовательно нанесенных слоев. Первый и второй слой наносили в восстановительной атмосфере. Первый слой – жаростойкие самофлюсующиеся порошки двух систем: состав 1 – Fe-Cr-Si-Mn-B-C в покрытии А; состав 2 – Fe-Ni-Si-Mn-B-C в покрытии Б. Второй слой – смесь самофлюсующегося порошка с порошком железа в соотношении 1:1. Третий слой получали напылением порошка железа в окислительной атмосфере для формирования металлооксидного покрытия. Для создания слоя окалины на поверхности образцы с покрытием подвергали высокотемпературному отжигу при температуре 1000 °. Химический состав и характер распределения элементов по толщине покрытий установлены методом микрорентгеноспектрального анализа на сканирующем электронном микроскопе TWSCAN с энергодисперсионной приставкой Oxford. Микротвердость и микромеханические свойства изучены на инструментальном микротвердомере системы Fischerscope HM2000 XYm при нагрузке 0,980 Н. Определение трибологических свойств было выполнено на лабораторной установке по схеме «палец – диск» при нагрузках 30, 75, 100 и 130 Н. Для измерения параметров шероховатости и получения 3D-профилометрии поверхностей после испытаний использовали бесконтактный профилометр-профилограф Optical profiling system Veeco WYKO NT 1100. Результаты и обсуждение. Металлографические исследования показали, что сформированные многослойные покрытия состоят из внутреннего металлического слоя и внешнего оксидного слоя с общей толщиной всего покрытия до 800…850 мкм. Установлено, что наибольшим уровнем микротвердости обладает первый напыляемый слой, это обусловлено высокой объемной долей, содержащихся в нем упрочняющих фаз (~95 %). Показано, что покрытие А обладает повышенной износостойкостью, которая выражена минимальной потерей массы (примерно в 1,5 раза меньше, чем у покрытия Б), коэффициент трения составил f = 0,3 для покрытия А и f = 0,4 для покрытия Б. Исследование поверхностей изнашивания показало, что при всех выбранных нагрузках испытаний в условиях трения скольжения покрытия обоих типов сохранились, даже при максимальной нагрузке 130 Н.
Об авторах
Н. Б. Пугачева
Email: nata5-4@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8015-8120
доктор техн. наук, доцент, 1. Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия; 2. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия, nata5-4@yandex.ru
Т. М. Быкова
Email: tatiana_8801@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8888-6410
канд. техн. наук, 1. Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия; 2. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия, tatiana_8801@mail.ru
В. А. Сирош
Email: sirosh.imp@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8180-9543
канд. физ.-мат. наук, Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия, sirosh.imp@yandex.ru
А. В. Макаров
Email: av-mak@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2228-0643
доктор техн. наук, Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия, av-mak@yandex.ru
Список литературы
- Гузанов Б.Н., Косицын С.В., Пугачева Н.Б. Упрочняющие защитные покрытия в машиностроении. – Екатеринбург: УрО РАН, 2004. – 244 с. – ISBN 5-7691-1405-3.
- Serin K., Pehle H.J. Improved service life for hot forming tools in seamless tube plants // Stahl und Eisen. – 2014. – Vol. 134 (11). – P. 161–174.
- Sivakumar R., Mordike B.L. High temperature coatings for gas turbine blades: a review // Surface and Coatings Technology. – 1989. – Vol. 37 (2). – P. 139–160. – doi: 10.1016/0257-8972(89)90099-6.
- Подшивалкин С.А., Торбеев А.Н. Структура и свойства оксидированных покрытий // Master's Journal. – 2012. – № 2. – С. 91–98.
- Nanocrystalline structure of the surface layer of plasma-sprayed hydroxyapatite coatings obtained upon preliminary induction heat treatment of metal base / A.A. Fomin, A.B. Steinhauer, V.N. Lyasnikov, S.B. Wenig, A.M. Zakharevich // Technical Physics Letters. – 2012. – Vol. 38 (5). – P. 481–483. – doi: 10.1134/S1063785012050227.
- Сазоненко И.О., Земуов В.А., Юрчак А.Н. К вопросу повышения стойкости оправок прошивных станов // Литье и металлургия. – 2012. – № 4. – С. 135–138.
- Пухов Е.В., Загоруйко К.В. Результаты экспериментальных исследований износостойкости поверхности коленчатого вала, восстановленной методом газопламенного нанесения самофлюсующихся порошков // Международный технико-экономический журнал. – 2020. – № 4. – С. 45–52. – doi: 10.34286/1995-4646-2020-73-4-45-52.
- Манойло Е.Д., Радченко А.А., Шардаков С.Н. Непрерывное газопламенное нанесение покрытий из порошков самофлюсующихся сплавов на штанговые муфты нефтяных насосов // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сборник докладов 13-го Международного симпозиума: в 2 ч. – Минск, 2023. – Ч. 2. – С. 171–186.
- Development of ion-plasma refractory metallic layers of heat-insulating coatings for cooled turbine rotor blades / S.А. Budinovsky, S.A. Muboyadzhyan, A.M. Gayamov, P.V. Matveev // Metal Science and Heat Treatment. – 2014. – Vol. 55. – P. 652–657. – doi: 10.1007/s11041-014-9684-2.
- Krivonosova E., Gorchakov A. Micro-arc oxidation as efficient technology of increasing of wear resistance of aluminum alloy // Elektrotechnica & Electronica E+E. – 2013. – Vol. 48 (5–6). – Р. 352–355.
- Iida S., Hidaka Y. Influence of iron oxide of carbon steel on lubricating properties in seamless pipe hot rolling and the effectiveness of borax application // Tetsu-to-Hagane / Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. – 2010. – Vol. 96 (9). – Р. 550–556. – doi: 10.2355/tetsutohagane.96.550.
- Rodionov I.V. Application of the air-thermal oxidation technology for producing biocompatible oxide coatings on periosteal osteofixation devices from stainless steel // Inorganic Materials: Applied Research. – 2013. – Vol. 4 (2). – P. 119–126. – doi: 10.1134/S2075113313020159.
- Oxidation behavior and mechanism of porous nickel-based alloy between 850 and 1000 °C / Y. Wang, Y. Liu, H. Tang, W. Li, C. Han // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2017. – Vol. 27 (7). – P. 1558–1568. – doi: 10.1016/S1003-6326(17)60177-8.
- Марьин Д.М., Глущенко А.А., Салахутдинов И.Р. Снижение износа поршней двигателя внутреннего сгорания оксидированием рабочих поверхностей головок // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. – 2018. – № 2. – С. 71–79. – doi: 10.15593/24111678/2018.02.08.
- Герасимов Ю.Л., Авдеев С.В., Бобарикин Ю.Л. Исследование влияния особенностей оксидированного покрытия прошивных оправок на их эксплуатационную стойкость // Черные металлы. – 2017. – № 7. – С. 46–49.
- Oliver W.C., Pharr J.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. – 1992. – Vol. 7 (6). – P. 1564–1583. – doi: 10.1557/JMR.1992.1564.
- Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий / Н.Б. Пугачева, Ю.В. Николин, Т.М. Быкова, Л.С. Горулева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 138–150. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-138-150.
- Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. – 1998. – Vol. 73 (5). – P. 614–618. – doi: 10.1063/1.121873.
- Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. – 1993. – Vol. 61 (1–3). – P. 201–208. – doi: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.
- Гузанов Б.Н., Пугачева Н.Б., Быкова Т.М. Эрозионная стойкость комбинированного многослойного покрытия для защиты ответственных деталей современных газово-турбинных двигателей // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2021. – № 2. – С. 6–21. – doi: 10.17804/2410-9908.2021.2.006-021.
- Гузанов Б.Н., Обабков Н.В., Мигачева Г.Н. Разработка и исследование многослойных комбинированных покрытий высокотемпературного назначения // Sciences of Europe. – 2017. – № 16-1 (16). – С. 83–88.
- Sivakumar R., Mordike B.L. High temperature coatings for gas turbine blades: a review // Surface and Coatings Technology. – 1989. – Vol. 37 (2). – P. 139–160. – doi: 10.1016/0257-8972(89)90099-6.
- Повышение трибологических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т наноструктурирующей фрикционной обработкой / А.В. Макаров, П.А. Скорынина, А.Л. Осинцева, А.С. Юровских, Р.А. Саврай // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 4 (69). – С. 80–92. – doi: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.
Дополнительные файлы
