Анотація до роботи:

Тепленко М.О. Структуроутворення композиційних градієнтних покриттів з підвищеною зносо - та корозійною стійкістю при електроіскровому масопереносі кераміки системи Al-Ti(Zr)-N-B -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01-матеріалознавство.-Інститут проблем матеріалознавства ім. И.Н. Францевича НАН України, Київ, 2003.

Мета роботи – створення керамічних покриттів з підвищеною зносо- та корозійною стійкістю на металевих сплавах за рахунок формування градієнтної структури при електроіскровому масопереносі електродних матеріалів нового покоління систем AlN-Ti(Zr)B₂ та AlN-TiN без металевої зв‘язки. У роботі уперше встановлені особливості структуроутворення та фазових перетворень при електроіскровому масопереносі зазначених матеріалів, обумовлені різної змочуваністю легуючих компонентів матеріалом підложки і полягають у формуванні градієнтної по металу основи структури керамічних глобул на основі Al₂O₃, які армують модифіковану міжглобульну поверхню на основі металевого сплаву підложки. Вивчено стійкість ЕІЛ-покриттів до високотемпературної та електролітичної корозії в 3% розчині NaCl. Показано, що корозія визначається міжглобульною поверхнею за рахунок утворення в складі її окалини твердих розчинів Fe₂O₃-Al₂O₃-Cr₂O₃. Уперше проведені системні дослідження особливостей трибологічної поведінки ЕІЛ-покриттів в умовах сухого тертя ковзання в залежності від складу електрода, матеріалу підложки, режимів тертя і частоти імпульсів струму іскрового розряду. Результати обговорені в рамках концепції формування вторинних структур у процесі трибоокислення. Встановлено, що розроблені ЕІЛ-покриття в умовах сухого тертя при підвищених навантажувально-швидкісних параметрах перевершують своїх найближчих аналогів, представлених ЕІЛ-покриттями на основі TiВ₂, TiN, ZrN, TiC з металевою зв'язкою (Mo, Fe, CrNi): коефіцієнт тертя знижується від 0,21-0,38 до 0,15-0,17, знос – у 3-4 рази. Показано можливість регулювати зносостійкістю покриттів шляхом пошарового ЕІЛ за рахунок зміни складу вторинних структур у процесі трибоокислення.

1. Уперше створені керамічні покриття на металевих сплавах з підвищеною зносо- nf корозійною стійкістю за рахунок формування градієнтної структури при електроіскровому масопереносі електродних матеріалів нового покоління на основі AlN без металевої зв‘язки.

2. Розроблено склади композиційних електродних матеріалів системи AlN-Ti(Zr)B₂ і встановлені особливості структуроутворення, фазових перетворень при електроіскровому масопереносі цих матеріалів на металеві сплави, обумовлені різної змочуваністю легуючих компонентів матеріалом підложки, які полягають у формуванні градієнтної структури керамічних глобул на основі Al₂O₃ (за рахунок цілеспрямованого зменшення концентрації металу підложки до поверхні глобули) і міжглобульного модифікованого шару на основі металевого сплаву підложки.

3. На підставі комплексу досліджень структури і фазового складу (металографія, РФА, МРСА, методи ПЕМ і СЕМ) уперше встановлені наступні особливості формування ЕІЛ-покриття:

відмінність фазового складу і структури покриття від таких матеріалу легуючого електроду, обумовлена високотемпературним окислюванням компонентів у процесі нанесення, утворенням багаторівневої дискретної структури за рахунок різної змочуваності продуктів електроерозії електрода металевим сплавом підложки;

формування градієнтної структури спеченого шару глобул, що полягає в масопереносі металевого сплаву підложки в глобулу з цілеспрямованим зменшенням концентрації металу від межі розділу до поверхні покриття;

утворення в спеченому шарі глобули безпосередньо в процесі формування покриття твердих розчинів Al₂O₃-TiО₂, Al₂O₃-SiО₂, Fe₂O₃-Al₂O₃ і відповідних корозійностійких сполук (b-тіаліту, муліту, алюмінату заліза), що можуть відігравати роль твердого мастила, роблячи позитивний вплив на трибологічні параметри при сухому терті, а також на стійкість до високотемпературного окислювання;

формування у міжглобульному просторі модифікованого шару матеріалу підложки, що полягає в захоплені конвективними потоками розплаву компоненти продуктів електроерозії електрода, яка адгезійно-активно взаємодіє з матеріалом підложки не встигаючи повністю окислитися;

вплив матеріалу підложки на рівень дискретності керамічних покриттів: у ряді підложок сталь 45 – сталь 40Х – сплав ВТ6 суцільність покриття збільшується;

спільність у структурі ЕІЛ- і лазерних покриттів, що виявляється у формуванні глобул тонкодисперсного спеченого матеріалу за рахунок участі рідкої фази та мікропроцесів спікання при впливі концентрованого потоку енергії.

4. Встановлено закономірності високотемпературного окислювання й електролітичної корозії в 3% розчині NaCl дискретних керамічних композиційних покриттів на ст.40Х, які полягають у тім, що корозія визначається міжглобульної поверхнею за рахунок утворення в складі її окалини твердих розчинів Fe₂O₃-Al₂O₃-Cr₂O₃.

5. На базі трибологічних іспитів на машині тертя МТ-68 розроблених керамічних покриттів на сталях і титановому сплаві ВТ6 в умовах сухого тертя на повітрі при швидкостях ковзання 5-16 м/с і навантаженнях 2-3 МПа в парі з загартованою сталлю 65Г (HRC 58...62) встановлено наступні особливості трибологічної поведінки покриттів:

для всіх досліджених покриттів коефіцієнт тертя зменшується з ростом швидкості ковзання і збільшенням навантаження, що свідчить про ефективне формування вторинних структур у процесі трибоокислення;

трибологічні параметри покриттів залежать від матеріалу підложки. Інтенсивність зношування покриття AlN-ZrВ₂-ZrSi₂ на сплаві ВТ6 у 6 разів менше, ніж на сталі 45, що корелює зі збільшенням змочуваності металевим сплавом підложки і відповідно – суцільності покриттів;

встановлено вплив такого технологічного параметру нанесення покриттів, як частота імпульсів струму, і показано, що у діапазоні n=1200-1600 Гц спостерігається тенденція зниження інтенсивності зношування покриттів на величину 35% і мікромеханічних характеристик з ростом n при одночасному зменшенні коефіцієнту масопереносу, шорсткості і розміру зерна в покритті, що дозволяє розглядати величину n як інструмент для регулювання властивостями покриттів;

пошарове ЕІЛ з використанням електродів TiAl та AlN-ZrВ₂-ZrSi₂ зменшує інтенсивність зносу ЕІЛ-покриттів на сталі 45 у 6 разів і на КЕП(Ni-B)/ст. 45 - удвічі, що в рамках концепції утворення вторинних структур у процесі трибоокислення пояснюється формуванням у зоні трибоконтакту вторинних плівок обмежених твердих розчинів Al₂O₃-TiО₂.

6. Уперше на базі технології одностадійного ЕІЛ з використанням керамічних електродних матеріалів нового покоління без металевої зв'язки систем AlN-TiВ₂, AlN-ZrВ₂-ZrSi₂, AlN-TiN отримані композиційні градієнтні керамічні покриття, що володіють ефективним сполученням високої твердості, зносо- і корозійної стійкості в жорстких умовах експлуатації. В умовах сухого тертя при підвищених навантажувально-швидкісних параметрах розроблені покриття перевершують за рівнем трибологічних параметрів своїх найближчих аналогів, представлених ЕІЛ-покриттями на основі TiВ₂, TiN, ZrN, TiC з металевою зв'язкою (Mo, Fe, CrNi). Інтенсивність зношування (I) і коефіцієнт тертя (f) розроблених покриттів складають 8-13 мкм/км і 0,15-0,17, відповідно, тоді як для зазначених аналогів ці величини рівні 25-54 мкм/км і 0,21-0,38 при невеликих швидкостях ковзання, а при підвищених швидкостях (v10 м/с) вони непрацездатні. Більш висока зносостійкість розроблених покриттів у порівнянні з покриттям-аналогом обумовлена формуванням у першому випадку градієнтної структури матеріалу глобули, у зовнішньому шарі якої концентрація металевого сплаву підложки мінімальна чи дорівнює нулю.

7. Дано практичні рекомендації із застосування розроблених покриттів:

для електроіскрового зміцнення деталей зі ст. 40Х (вали автомобілів, елементи підшипників, зубчасті колеса) і твердосплавних пластин, зокрема, для деревообробного інструмента (мається акт іспитів заводу “Херсонські комбайни”);

у парах тертя ковзання "ЕІЛ-покриття/сталь" для роботи у вакуумі;

для підвищення до 7 разів величини відносного однорідного подовження у вакуумі при температурі 1150^оС сплаву молібдену ЦМ-10 (при пошаровому ЕІЛ), використовуваного для обшивання вузлів апаратів аерокосмічної техніки;

Електродні матеріали на основі AlN можуть бути використані також у виді як мішеней для одержання магнетронних покриттів високої твердості (30 ГПа) і термостійкості (до 900^оC), так і порошків для нанесення зносостійких детонаційних покриттів (акт іспитів заводу 410 ГА додається).

Публікації автора:

1. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Тепленко М.А., Подольский В.И. Защитные покрытия на жаропрочных никелевых сплавах (обзор)// Порошковая металлургия. –2000.-№ 9/10.-С. 12-27.

2. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Каташинский В.П., Тепленко М.А. Формирование, структура и свойства покрытий на основе TiB₂-AlN, полученных электроискровым и лазерным методами// Порошковая металлургия. – 2000. - №11/12.- С. 39-46.

3. Подчерняева И.А., Лавренко В.А., Тепленко М.А., Швец В.А., Фролов А.А. Формирование коррозионностойкого слоя на низколегированной стали при светотермической обработке композиционным материалом на основе Si₃N₄-Al₂O₃// Порошковая металлургия. – 2001. - №1/2. - С. 58-64.

4. Тепленко М.А. Массоперенос при электроискровом легировании (ЭИЛ) конструкционных сплавов композитом AlN-ZrB₂// Электрические контакты и электроды. Сб. науч. трудов. – Киев: ИПМ НАНУ. – 2001. - С. 137-143.

5. Panasyuk A.D., Podchernyaeva I.A., Andrievsky R.A., Teplenko M.A., Katashinsky V.P., Timofeeva I.I. Structure and properties of electric-spark, laser and magnetron coatings using AlN-TiB₂/ZrB₂ composite materials//Functional materials.-v.8.-1.-2001-Р. 129-134.

6. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Лавренко В.А., Андриевский Р.А., Тепленко М.А. Структура и свойства композиционных электроискрових, лазерных и магнетронных покрытий из материала AlN-TiB₂// Порошковая металлургия.–2001.-№9/10-С. 69-78.

7. Panasyuk A.D., Podchernyaeva I.A., Andrievsky R.A., Teplenko M.A., Kalinnikov G.V., Isaeva L.P. Formation of fine-dispersion structures by electric-spark, laser and magnetron coating with AlN-TiB₂/ZrB₂ composite materials// Functional Gradient Materials and Surface Layers Prepared by Fine Particles Technology. – 2001. - Р. 111-118.

8. Podchernyaeva I.A., Panasyuk A.D., Teplenko M.A. Formation of fine-dispersion structures of wear- and corrosion-resistant coatings using AlN-TiB₂/ZrB₂ composites// Key Engineering Materials. – 2002. - Vols. 206-213. - Р. 499-502.

9. Тепленко М.А., Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Каташинский В.П., Юга А.И. Структура и износостойкость покрытий на титановом сплаве и сталях, полученных при электроискровом легировании материалом AlN-ZrB₂// Порошковая металлургия. – 2002. - №3/4. - С. 48-57

10. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Тепленко М.А., Мосина Т.В., Костенко А.Д., Смирнов В.П. Трибологические свойства тонкодисперсных покрытий при электроискровом легировании материалами системы Ti-Al-N// Порошковая металлургия.-2002.-№11-12.-С.49-60.