Улучшение антикоррозионных и триботехнических свойств сплава Ti6Al4V осаждением электроискровых Ti-Al-Si-C покрытий

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность. Титановый сплав Ti6Al4V широко используется в аэрокосмической и медицинской отраслях промышленности благодаря высокой удельной прочности, пластичности и коррозионной устойчивости. Однако использование сплава Ti6Al4V в некоторых важных конструкционных элементах ограничено из-за его сравнительно низкой жаростойкости и высокой вязкости при изнашивании. Цель работы: исследование повышения сопротивляемости титанового сплава Ti6Al4V к воздействию высоких температур и износу при сухом скольжении посредством нанесения композиционных Ti-Al-Si-C защитных слоев. В работе исследованы покрытия, полученные методом электроискрового легирования с использованием электродов-анодов, изготовленных в форме стержней путем спекания порошков алюминида титана Ti3Al с 5…15 вес.% добавками карбида кремния SiC. Методы исследования. Фазовый состав покрытий изучали методом рентгеновского дифракционного анализа. Коррозионные испытания покрытий включали в себя исследование жаростойкости при температуре 900 °С в течение ~62 часов и потенциодинамические тесты в 3,5 %-м растворе NaCl; микротвердость осажденных слоев определялась индентированием по методу Виккерса при нагрузке 0,5 Н. Износоустойчивость и коэффициент трения покрытий определяли в режиме сухого скольжения относительно быстрорежущей стали Р6М5 при скорости 12 м/с и нагрузке 25 Н. Результаты и обсуждение. Электродные материалы помимо интерметаллида Ti3Al содержали карбид титана TiС, силицид титана TiSi2 и комплексный карбид Ti4Al2C2. Согласно анализу кинетических кривых массопереноса оптимальное время осаждения электроискровых Ti-Al-Si-C покрытий на сплав Ti6Al4V составляет 4 мин/см2. Установлено, что в основу покрытий входят интерметаллиды Ti3Al и TiAl. Кроме того, в их составе имеются карбид TiC и силицид титана Ti5Si3, содержание которых увеличивается с ростом концентрации добавки SiC в исходном составе порошковой смеси. Жаростойкость сплава Ti6Al4V с композиционным покрытием, полученным из Ti3Al с добавкой 5 вес.% карбида кремния, была в 2,7 раз выше, чем без покрытия. По результатам потенциодинамических испытаний был сделан вывод о том, что наилучшими антикоррозионными характеристиками обладает покрытие из Ti3Al с 15 вес.% добавкой SiC. Данное покрытие позволяет понизить скорость износа титанового сплава Ti6Al4V с 1,9 × 10-4 до 1,2 × 10-6 мм3/(Нм). Твердость покрытий находилась в диапазоне 10…22 ГПа.

Об авторах

А. А. Бурков

Email: burkovalex@mail.ru
кандидат физико-математических наук; Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия; burkovalex@mail.ru

С. А. Пячин

Email: pyachin@mail.ru
кандидат физико-математических наук, доцент; Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия; pyachin@mail.ru

Н. М. Власова

Email: vlasova64@yandex.ru
кандидат технических наук; Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия; vlasova64@yandex.ru

И. А. Астапов

Email: immaterial_khv@mail.ru
кандидат физико-математических наук; Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия; immaterial_khv@mail.ru

М. А. Кулик

Email: marijka80@mail.ru
Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия; marijka80@mail.ru

Список литературы

  1. Ganjeh E., Sarkhosh H. Microstructural, mechanical and fractographical study of titanium-CP and Ti–6Al–4V similar brazing with Ti-based filler // Materials Science and Engineering A. – 2013. – Vol. 559. – P. 119–129. – doi: 10.1016/j.msea.2012.08.043.
  2. Joining of zirconia and Ti6Al4V using a Ti-based amorphous filler / Y.H. Liu, J.D. Hu, Y.P. Zhang, Z.X. Guo, Y. Yang // Journal of Materials Science and Technology. – 2007. – Vol. 27. – P. 4983–4993. – doi: 10.1016/S1005-0302(11)60121-7.
  3. Oxidation behaviour of plasma surface alloying on Ti6Al4V alloy / D.-B. Wei, P.-Z. Zhang, Z.-J. Yao, X.-F. Wei, J.-T. Zhou, X.-H. Chen // Surface Engineering. – 2018. – Vol. 34. – P. 14–21. – doi: 10.1179/1743294415Y.0000000095.
  4. Martini C., Ceschini L. A comparative study of the tribological behaviour of PVD coatings on the Ti–6Al–4V alloy // Tribology International. – 2011. – Vol. 44. – P. 297–308. – doi: 10.1016/j.triboint.2010.10.031.
  5. Optimizing the tribological behavior of tantalum carbide coating for the bearing in total hip joint replacement / S. Du, K. Zhang, M. Wen, Y. Qin, R. Li, H. Jin, X. Bao, P. Ren, W. Zheng // Vacuum. – 2018. – Vol. 150. – P. 222–231. – doi: 10.1016/j.vacuum.2018.01.050.
  6. Effect of CeO2 on microstructure and wear resistance of TiC bioinert coatings on Ti6Al4V alloy by laser cladding / T. Chen, D. Liu, F. Wu, H. Wang // Materials. – 2018. – Vol. 11, iss 1. – P. 1–14. – doi: 10.3390/ma11010058.
  7. Structure and tribological properties of TiSiCN coating on Ti6Al4V by arc ion plating / J. Li, Y. Wang, Y. Yao, Y. Wang, L. Wang // Thin Solid Films. – 2017. – Vol. 644. – P. 115–119. – doi: 10.1016/j.tsf.2017.09.053.
  8. Synthesis and characterization of Ni60-hBN high temperature self-lubricating anti-wear composite coatings on Ti6Al4V alloy by laser cladding / X.-L. Lu, X.-B. Liu, P.-C. Yu, S.-J. Qiao, Y.-J. Zhai, M.-D. Wang, Y. Chen, D. Xu // Optics & Laser Technology. – 2016. – Vol. 78. – P. 87–94. – doi: 10.1016/j.optlastec.2015.10.005.
  9. Structure and tribological behavior of GLCH/nitride coupled coatings on Ti6Al4V by nitriding and magnetron sputtering / R. Niu, J. Li, Y. Wang, J. Chen, Q. Xue // Diamond & Related Materials. – 2016. – Vol. 64. – P. 70–79. – doi: 10.1016/j.diamond.2016.01.015.
  10. Compositions and tribological properties of PEO coatings on Ti6Al4V alloy / Y.K. Qin, D.S. Xiong, J.L. Li, R. Tyagi // Surface Engineering. – 2017. – Vol. 33. – P. 895–902. – doi: 10.1179/1743294414Y.0000000412.
  11. Plasma-sprayed Ti6Al4V alloy composite coatings reinforced with in situ formed TiB-TiN / A. Anand, M. Das, B. Kundu, V.K. Balla, S. Bodhak, S. Gangadharan // Journal of Thermal Spray Technology. – 2017. – Vol. 26. – P. 2013–2019. – doi: 10.1007/s11666-017-0651-5.
  12. Characterization of microstructure and wear resistance of PEO coatings containing various microparticles on Ti6Al4V alloy / X. Li, C. Dong, Q. Zhao, Y. Pang, F. Cheng, S. Wang // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2018. – Vol. 27. – P. 1642–1653. – doi: 10.1007/s11665-018-3249-2.
  13. Effect of heat treatment on residual stress and wear behaviors of the TiNi/Ti2Ni based laser cladding composite coatings / Y.-F. Tao, J. Li, Y.-H. Lv, L.-F. Hu // Optics and Laser Technology. – 2017. – Vol. 97. – P. 379–389. – doi: 10.1016/j.optlastec.2017.07.029.
  14. Tribological properties in seawater for Ti/TiCN coatings on Ti6Al4V alloy by arc ion plating with different carbon contents / J.-L. Li, G.-Y. Cai, H.-S. Zhong, Y.-X. Wang, J.-M. Chen // Rare Metals. – 2016. – Vol. 36. – P. 858–864. – doi: 10.1007/s12598-016-0802-8.
  15. In-situ integrated fabrication of Ti–Ni coating during hot isostatic pressing of Ti6Al4V parts: Microstructure and tribological behavior / C. Cai, B. Song, Q. Wei, P. Xue, S. Wen, J. Liu, Y. Shi // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 280. – P. 194–200. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.09.007.
  16. Characterizations of anodic oxide films formed on Ti6Al4V in the silicate electrolyte with sodium polyacrylate as an additive / J. Wang, Y. Ma, J. Guan, D. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 338. – P. 14–21. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.01.076.
  17. Plasma nitriding of Ti6Al4V alloy and AISIM2 steel substrates using D.C. glow discharges under a triode configuration / J.C. Avelar-Batista, E. Spain, J. Housden, A. Matthews, G.G. Fuentes // Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 200. – P. 1954–1961. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2005.08.037.
  18. Rapid preparation of TiC reinforced Ti6Al4V based composites by carburizing method through spark plasma sintering technique / Y.J. Hao, J.X. Liu, J.C. Li, S.K. Li, Q.H. Zou, X.W. Chen // Materials & Design. – 2015. – Vol. 65. – P. 94–97. – doi: 10.1016/j.matdes.2014.09.008.
  19. Influence of different plasma nitriding treatments on the wear and crack behavior of forging tools evaluated by Rockwell indentation and scratch tests / Z.K. Chang, X.S. Wan, Z.L. Pei, J. Gong, C. Sun // Surface and Coatings Technology. – 2011. – Vol. 205. – P. 4690–4696. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.07.053.
  20. Characterization of Ti–C–N coatings deposited on Ti6Al4V for biomedical applications / V.S. Viteri, M.G. Barandika, U.R. Gopegui, R. Bayón, C. Zubizarreta, X. Fernández, A. Igartua // Journal of Inorganic Biochemistry. – 2012. – Vol. 117. – P. 359–366. – doi: 10.1016/j.jinorgbio.2012.09.012.
  21. Microstructure and properties of titanium aluminides on Ti6Al4V titanium alloy produced by chemical vapor deposition method / R. Sitek, J. Kaminski, J. Borysiuk, H. Matysiak, K. Kubiak, K.J. Kurzydlowski // Intermetallics. – 2013. – Vol. 36. – P. 36–44. – doi: 10.1016/j.intermet.2012.12.017.
  22. Исследование износостойкости и жаростойкости электроискровых Ti-Al-покрытий на титановом сплаве / С.А. Пячин, А.А. Бурков, Т.Б. Ершова, Н.М. Власова, М.А. Теслина, Е.Р. Зайкова // Заготовительные производства в машиностроении. – 2016. – № 8. – С. 37–44.
  23. Preparation and microstructure of CuNiTiZr medium-entropy alloy coatings on TC11 substrate via electrospark – computer numerical control deposition process / X.-R. Wang, Z.-Q. Wang, W.-S. Li, T.-S. Lin, P. He, C.-H. Tong // Materials Letters. – 2017. – Vol. 197. – P. 143–145. – doi: 10.1016/j.matlet.2017.03.109.
  24. Leyens C., Peters M., Kaysser W.A. Intermetallic Ti-Al coatings for protection of titanium alloys: oxidation and mechanical behavior // Surface and Coatings Technology. – 1997. – Vol. 94–95. – P. 34–40. – doi: 10.1016/S0257-8972(97)00472-6.
  25. The use of titanium aluminides to form electric-spark coatings / S.A. Pyachin, T.B. Ershova, A.A. Burkov, N.M. Vlasova, V.S. Komarova // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2016. – Vol. 57, – P. 266–272. – doi: 10.3103/S1067821216030135.
  26. Верхотуров А.Д. Физико-химические основы процесса электроискрового легирования металлических поверхностей. – Владивосток: Дальнаука, 1992. – 180 с.
  27. Влияние добавок оксидов и карбидов металлов на свойства интерметаллидных Ti3Al электроискровых покрытий / С.А. Пячин, А.А. Бурков, Н.М. Власова, Е.А. Кириченко // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2016. – Т. 13, № 2. – С. 168–173.
  28. Kofstad P., Hauffe K., Kjöllesdal H. Investigation on the oxidation mechanism of titanium // Acta Chemica Scandinavica. – 1958. – Vol. 12. – P. 239–266.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».