Анотація до роботи:

Чернега С.М. Наукові основи створення кавітаційностійких захисних покриттів на сталях. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01-Металознавство і термічна обробка металів. Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, Київ, 2007.

В роботі запропоновано новий концептуальний підхід до створення кавітаційностійких покриттів, який ґрунтується на розробці критеріїв вибору покриттів та технології їх отримання. Вперше розроблено фізичні критерїї вибору захисних матеріалів, що грунтуються на аналізі хвильових процесів, що відбуваються при поширенні ударних хвиль під час кавітації. Вперше розроблено матеріалознавчі критерії оптимізації структури та складу, що базуються на принципах теорії зношування і дозволяють оцінювати стійкість покриттів в умовах кавітації, враховуючи їх характеристики – мікротвердість і тріщиностійкість. Критерії вибору оптимальних технологій враховують технологічність методу нанесення покриття що до можливості створення однорідних покриттів достатньої товщини за відносно короткий час; можливості одержання покриттів на складних тривимірних виробах. Розроблені критерії використані в роботі для створення нового класу покриттів на основі боридів та карбідів перехідних металів, які були отримані методом хіміко-термічної обробки, запропоновані раціональні режими отримання покриттів та оптимальні суміші насичуючих порошкових середовищ.

Досліджено кавітаційну стійкість вуглецевих сталей з дифузійними покриттями на основі однокомпонентних та двокомпонентних систем карбідів перехідних металів Nb, Zr, Ti, V, Сr і показано, що стійкість сталей підвищується в 5-10 разів; легованими боридними покриттями - відповідно в 2-3 рази та газотермічними покриттями систем 12Х18Н9Т-TiB₂-VC, 12Х18Н9Т-TiB₂-CrB₂ - в 2-2,5 рази тільки після додаткової обробки поверхні за допомогою лазера.

1. Розроблено критерій вибору покриттів на основі аналізу фізичних процесів, що відбуваються в умовах високошвидкісних ударних явищ при кавітації. Обґрунтовано вибір кавітаційностійких одношарових і багатошарових покриттів при високошвидкісних ударних явищах шляхом врахування характеристик матеріалу: щільності (r), модуля пружності Юнга, швидкості звуку (C) в матеріалі, товщини покриття (h_с). Показано, що в умовах кавітації покриття виконують захисну функцію, коли акустичний опір покриття (r_c с_c) більший акустичного опору матеріалу матриці (r_m с_m), та кавітуючої рідини (r_l с_l). Встановлено, що дифузійні покриття на основі карбідів перехідних металів і боридів заліза забезпечують високий ступінь захисту металевої матриці за умов кавітації.

2. Теоретично обгрунтовано та експериментально підтверджено критерій вибору товщини захисних покриттів. Встановлено, що високу кавітаційну стійкість мають гомогенні покриття або багатошарові покриття з товщинами, що задовольняють рівнянню:

,

де d- діаметр мікроструменя рідини, який виникає при гідравлічному ударі, C_с та С_l швидкості поширення звуку в матеріалі покриття та кавітуючої рідини відповідно. При менших товщинах шарів багатошарового покриття, необхідно враховувати перерозподіл напруг на границі фаз. При значній перевазі акустичного опору верхнього шару над нижнім майже всі напруження зосереджуються у верхньому шарі. Показано, що умовою високої кавітаційноі стійкості дфухфазних шарів карбідів хрому Cr₂₃C₆ та Cr₇C₃ є близьке значення їх акустичних опорів.

3. Вперше запропоновано критерій оцінки прогнозування стійкості матеріалів в умовах кавітаційного зношування оснований на принципах теорії зношування. Стійкість матеріалів до кавітаційного зношування визначається комбінацією параметрів мікротвердості Н_m і тріщиностійкості К_1с. Отримано співвідношення між характеристиками мікротвердості, тріщиностійкості і кавітаційним зношуванням . Визначено, що n=0,3; m=0,7. Запропонована залежність дозволяє оцінювати та прогнозувати кавітаційне зношування різних класів покриттів по параметрах мікротвердості і тріщиностійкості.

4. Кінетика кавітаційного руйнування дифузійних покриттів на початковій стадії описується поліноміальною залежністю, коефіцієнти доданків поліному визначаються властивостями та характеристиками покриттів: мікротвердістю, тріщиностійкістю, величиною залишкових напружень стиснення, напруженям сколювання, пористістю. На стадії самоорганізації процесу зношування спостерігається лінійна залежність втрати маси від часу. Проведено розрахунок параметрів моделі для кавітаційностійких покриттів на основі карбідів хрому, ванадію і титана на всіх досліджених вуглецевих сталях і боридних фаз заліза, легованих хромом, ванадієм чи титаном на сталі 45.

5. Серед дифузійних легованих боридних покриттів найбільш стійкими є покриття леговані Cr та V, які підвищують стійкість вуглецевих сталей в 2-3 рази. Вони мають найменшу пористість, достатню величину напружень стиснення та найбільшу корозійну стійкість. Борохромування сталі в запропонованому складі забезпечує максимальну мікротвердість боридів заліза легованих хромом. Зменшення об’єму кристалічної комірки фази FeB відповідає максимальне значення мікротвердості за рахунок посилення ковалентної складової хімічного зв'язку. Виявлено аномальний розподіл хрому в поверхневому шарі борованої сталі. Методом локального спектрального аналізу встановлено його підвищену кількість до 10% ат. у зонах біля пор, тоді як по тілу зерна кількість хрому не перевищує 1% ат. Для забезпечення максимальних захисних властивостей при кавітаційному руйнуванні доцільно наносити леговані боридні покриття товщиною не менш 115...125 мкм.

6. Висока кавітаційна стійкість карбідних покриттів обумовлена комплексом властивостей та характеристик: високою твердістю, дрібнозернистістю структури (0,5...2 мкм), високими залишковими напруженнями стиснення і низькою пористістю. Карбідні покриття на основі перехідних металлів суттєво підвищують кавітаційну стійкість вуглецевих сталей. Кавітаційна стійкість сталей 20, 45 і У8А з карбідними покриттями на основі перехідних металів зростає в ряді: (V-Nb)C NbC ZrC (Si-Cr)C (Cr-Ti-V)C (V-Cr)C TiC (Nb-Cr)C VC (Zr-Cr)C Cr_mC_n .

Найбільш високу стійкість мають покриття на основі карбідів хрому і ванадію. Формування таких покриттів дозволяє підвищити в 5...10 разів термін служби виробів, що працюють в умовах інтенсивного кавітаційного руйнування.

7. Встановлені оптимальні співвідношення складів карбідоутворюючих порошків Nb та Cr, Zr та Cr, Si та Cr, для формування шаруватої будови покриття із зовнішнім шаром на основі карбідів хрому Cr₂₃C₆, Cr₇C₃. Комплексні карбідні покриття за участю хрому мають шарувату трифазну будову, наприклад в системі Nb-Cr-С і складаються від поверхні покриття із наступних фаз :1- (Cr,Nb)₂₃C_6, (Cr,Nb)₇C₃, 2-(Nb,Cr)C, 3- Cr₇C₃; на основі Zr-Cr із двох шарів: 1- (Cr,Zr)₂₃C_6, (Cr,Zr)₇C₃, 2-(Zr,Cr)C; на основі Si-Cr карбідні фази, - наступні: (Cr,Si)₂₃C_6, (Cr,Si)₇C₃.

8. Механізм кавітаційного руйнування покриттів включає три стадії: 1 – формування рельєфу поверхоні; 2 – зародження системи радіальних, подовжніх і поперечних під поверхневих (латеральних) тріщин; 3 – руйнування матеріалу покриття, яке відбувається: по границям зерен, у дифузійних карбідних покриттів, та окремих напилених часток, у плазмових покриттів; шляхом транскристалітного сколу у дифузійних легованих боридних покриттях та газотермічних покриттях; шляхом сколу шару по між шаровим границям в газотермічних покриттях.

9. Вперше встановлена кореляційна залежність між кавітаційною стійкістю, величиною підповерхневих тріщин і напруженнями сколювання. Показано, що чим більше рівень напружень сколювання і менша величина підповерхневих тріщин, тим більший опір покриття кавітаційному зносу. При цьому самі високі напруження сколювання та найменші розміри підповерхневих тріщин виявлено в найбільш кавітаційностійких карбідних покриттях на основі хрому і ванадію, у боридних фазах заліза легованих хромом і газотермічних покриттях після лазерної обробки.

10. Вперше показано, що в умовах циклічних кавітаційно-корозійних випробувань, зношування захисних покриттів на відповідних стадіях кавітації і корозії збільшується в 1,3 – 3 рази, порівняно з кавітаційним. Швидкість кавітаційної складової превалює над швидкістю корозійної складової на 2-3 порядки в залежності від корозійного середовища. Показано, що при безперервній кавітації зношування захисних покриттів посилюється на 5 – 10% при порівнянні випробувань у водопровідній воді та у 3% розчині морської солі. Основними факторами, які посилюють кавітаційні та корозійні процеси в умовах циклічного впливу, є: прискорення електрохімічних реакцій, руйнування захисних оксидних плівок, ефект щілини, наводнення поверхні. Найбільш висока кавітаційно-корозійна стійкість серед однокомпонентних карбідних покриттів притаманна покриттям на основі хрому чи ванадію, а комплексних покриттів на основі карбідів хрому. В результаті проведених випробувань рекомендовані Nb-Cr, Zr-Cr, Si-Cr карбідні покриття для захисту деталей машин в умовах кавітаційно-корозійного зношування.

11. Термічна обробка сталей із захисними дифузійними покриттями (гартування+низький, середній чи високий відпуск) призводить до зменшення величини та перерозподілу залишкових напружень стиску в дифузійних шарах і навіть до утворення напружень розтягування, внаслідок цього зменшується кавітаційна стійкість в 1,2 – 1,4 рази.

12. Газотермічні покриття систем Ni-Cr-Al-I, 12Х18Н9Т-TiB₂-VC, 12Х18Н9Т-TiB₂-CrB₂ підвищують кавітаційно-корозійну стійкість вуглецевих сталей в 2-2,5 рази тільки після додаткової обробки поверхні за допомогою лазера. Відпалювання газотермічних покриттів Ni-Al, Ni-Cr-Al-I призводить до зростання кавітаційної стійкості захисних шарів в 1,4-1,5 рази

13. Визначені корозійні електрохімічні властивості дифузійних покриттів на основі карбідів перехідних металів. Показано, що нанесення покриттів карбідів приводить до переважного гальмування швидкості анодного розчинення сталі в 2,2...10 разів, що обумовлене високою хімічною стійкістю досліджених фаз карбідів. Встановлено, що найбільшу корозійну стійкість мають покриття на основі карбідів ванадію і хрому, при нанесенні яких швидкість корозії зменшується відповідно в 4,7; 5,2 рази у водопровідній воді і 3,2; 4,8 раз в 3% водному розчині морської солі, а ступінь захисту сталі 45 досягає 70-80%. Високі захисні властивості фаз карбідів Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ і VC обумовлені незначною текстурою дифузійних шарів і практично відсутністю пор в таких покриттях. Нанесення дифузійних легованих боридних покриттів приводить до зменшення швидкості корозії в 1,12...2,5 рази, при цьому анодний процес гальмується в більшому ступені, ніж катодний. Найбільшу корозійну стійкість у морській воді мають покриття, леговані хромом і ванадієм.

14. Проведені промислові випробування гільз, клапанів, затворів, втулок, крильчаток насосів на водоповоротних циклах установок струменів високої частоти показали, що нанесення на поверхню сталевих деталей карбідів хрому та ванадію підвищує їх стійкість в 2,8...3,4 рази в порівнянні із стійкістю серійних. Розроблені нові високоефективні способи і склади вихідних реагентів для нанесення на поверхню сталей карбідних(А.С. СРСР №1317977, №1300969,№1300969, №1446955, №1659527) та боридних покриттів легованих ванадієм і хромом, захищених А.С. СРСР (№876781, №1426131№, 1463802, №1571102, №1573051, №1659528, №1721121) та патентами України (54925А, 54924А, 54844А, 62739А) на винахід.

Публікації автора:

1. Лоскутов В.Ф., Чернега С.М., Хижняк В.Г., Структура и свойства покрытий на основе тугоплавких металлов// Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1984, Вип. 18.-С.71-74.

2. О механизме разрушения карбидных покрытий при кавитации / Чернега С.М., Лоскутов В.Ф., Хижняк В.Г., Евтушенко О.В. //Защитные покрытия на металах.- К.: Наукова думка, 1985.- Вип. 19.-С.65-67.

3. Лоскутов В.Ф., Чернега С.М., Хижняк В.Г., Применение порошков переходных металлов для осаждения карбидных покрытий из газовой фазы // Новые методы получения металлических порошков: Сб.науч.тр. АН УССР ИПМ. - К., 1985.- С.137-142.

4. Коррозионная стойкость сталей с карбидными покрытиями // Чернега С.М., Лоскутов В.Ф., Хижняк В.Г., Евтушенко О.В. //Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1986.- Вип. 20.-С.83-84.

5. Чернега С.М., Лоскутов В.Ф., Яковчук Ю.Е. Остаточные напряжения в карбидных покрытиях // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1987.- Вип.21.- С.59-60.

6. Чернега С.М., Лоскутов В.Ф., Яковчук Ю.Е. Остаточные напряжения в легированных боридных покрытиях // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1987.- Вип.21.- С.87-89.

7. Евтушенко О.В.,Чернега С.М. Стойкость порошковых материалов на основе железа при кавитации // Порошковая металлургия.- 1988.- №10.- С.55-60.

8. Радомыcельский И.Д., Чернега С.М., Евтушенко О.В. Влияние покрытий на кавитационную стойкость порошковых материалов на основе железа // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1988.-Вип.22.- С.48-52.

9. Орлова Л.Н., Чернега С.М., Евтушенко О.В., Кавитационная стойкость порошковой стали Х17Н2 // Порошковые конструкционные материалы: Сб.науч.тр. АН УССР. ИПМ. - К., 1989.- С.86-93.

10. Алфинцева Р.А., Евтушенко О.В., Чернега С.М. Свойства газотермических защитных покрытий на основе нихрома // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1990.- вып.24.- С.24-28.

11. Алфинцева Р.А., Евтушенко О.В., Петров С.В., Чернега С.М., Повышение износостойкости газотермических покрытий термической обработкой // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1993.- Вип №27.- С.55-58.

12. Чернега С.М. Моделирование кинетики кавитационного разрушения карбидных и легированных боридных покрытий на углеродистых сталях // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1993.- Вип №27.- С.91-94.

13. Напара-Волгина С.Г., Чернега С.М., Евтушенко О.В. Износостойкость и разрушение порошковых материалов в условиях кавитации // Порошковая металлургия: Сб.науч.тр. АН УССР ИПМ - К.: 1990 г.- С.93-99.

14. Чернега С.М., Евтушенко О.В. Коррозионно-кавитационная стойкость сталей с покрытиями // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1994.- Вип. 28.- С.41-43.

15. Чернега С.М., Писаренко В.Н., Яковчук Ю.Е. Оптимизация процесса диффузионного борирования сталей // Защитные покрытия на металлах.- К.: Наукова думка, 1990.- Вип №24.- С.64-66.

16. Чернега С.М. Кавітаційне зношування дифузійних легованих боридних покриттів на сталях // Металознавство та обробка металів.- 1998.- №2.- С.36-41.

17. Чернега С.М. О механизме разрушения композиционных эвтектических покрытий при кавитации // Порошковая металлургия.- 1998.- №7/8.- С.36-43.

18. Кіндрачук М.В., Чернега С.М., Дудка О.І. Вплив структури на закономірності кавітаційного зносу евтектичних покриттів // ФХММ.- 1998.- Т.34, №2.- С.69-74.

19. Чернега С.М. Вплив структури на характер спрацювання при кавітації композиційних евтектичних плазмових покриттів // Металознавство та обробка металів.- 1998.- №4.- С.14-20.

20. Чернега С.М. Комплексное насыщение углеродистых сталей бором и хромом в активированной среде // Изв.ВУЗов. Черная металлургия.-1999.- №11.- С.58-60.

21. Чернега С.М. Влияние коррозии на кавитационный износ диффузионных покритий // Изв.ВУЗов. Черная металлургия.- 2000.- №5.- С.31-36.

22. Чернега С.М. Кавитационное разрушение диффузионных легированных боридных покрытий на сталях // Изв.ВУЗов. Черная металлургия.- 2000.- №7.- С.50-54.

23. Чернега С.М., Белоус М.В., Писаренко В.Н. О распределении хрома в покрытиях боридов железа на углеродистых сталях // Металлофизика и новейшие технологии.- 2000.- Т.22, №10.- С.25-27.

24. Чернега С.М. Зношування дифузійних і газотермічних покриттів в умовах циклічної кавітаційно-корозійної дії // Металознавство та обробка металів.- 2000.- №4.- С.10-16.

25. Чернега С.М., Завуличный Я.В., Карпець М.В., Белоус М.В. Влияние хрома на структуру и свойства диффузионных боридных покритий // Порошковая металлургия.- 2000.- №11/12.- С. 88-93.

26. Чернега С.М., Доний А.Н. Лоскутов В.Ф. Критерии оценки и прогнозирования работоспособности защитных покрытий в микроударных условиях кавитации // Металлофизика и Новейшие технологии.- 2001.-Т.23, №11.- С.1473-1482.

27. Чернега С.М., Лоскутова Т.В., Влияние напряженного состояния карбидных покрытий на их стойкость в условиях кавитации // Металлофизика и Новейшие технологии.- 2002.- Т.24, №9.- С.1177-1186.

28. Погребова И.С., Лоскутова Т.В., Белоус М.В, Защитные свойства карбидных
покрытий на стали 45 в водных агрессивных средах // Металлофизика и Новейшие технологии. - 2002.- Т.24, №9.- С.1210-1218.

29. Чернега С.М., Лоскутова Т. В., Янцевич К.В. Вплив корозійної складової на процес кавітаційно-корозійного зношування комплексних карбідних покриттів на основі хрому//Металлофизика и Новейшие технологии.-2003.-Т.25,№4.-С.519-532

30. Чернега С.М., Лоскутова Т.В. Характеристики комплексних Nb-Cr карбідних покриттів на вуглецевих сталях // Металознавство та обробка металів. - 2003.- №2.- С. 21-25.

31. Карпец М.В., Добровольский В.Д., Лоскутова Т.В. Чернега С.М. Состав и структура комплексных карбидных покрытий Nb-Cr на углеродистых сталях // Порошковая металлургия.- 2004.- №11-12. – С.57-62.

32. Чернега С.М., Карпец М.В., Янцевич К.В., Погребова И.С., Добровольский В.Д., Микроструктура, химический и фазовый состав хромосилицидных диффузионных покрытий на углеродистых сталях // Порошковая металлургия.-2005. - №1/2.- С.23-30.

33. Чернега С.М., Тріщун О.І., Тісов О.В. Вплив структури та фізико-механічних характеристик на закономірності кавітаційного зношення евтектичних матеріалів // Проблеми тертя та зношування .- 2006.- Вип.45.- С.97-106.