Открытый доступ
Только для подписчиков
Структура и износостойкость покрытий, полученных высокоскоростной лазерной наплавкой механокомпозитов на основе карбогидрида титана
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-4-46-56
Аннотация
Исследованы фазовый состав, морфология и свойства покрытий на стали, полученных методом высокоскоростного селективного лазерного сплавления механокомпозитов на основе карбогидрида титана. Механокомпозиты получены измельчением порошков Ti и Ti–Cu в жидкой углеводородной среде. Синтезированные механокомпозиты и сформированные из них покрытия изучены методами рентгеновской дифракции, сканирующей электронной и оптической микроскопии. Фазовый состав механокомпозитов представлен карбогидридом титана, размер частиц порошка составляет от 2 до 30 мкм для порошков, не содержащих медь, и от 1 до 10 мкм – для порошков с медью. Полученные из порошковых механокомпозитов покрытия обладают градиентной структурой. В составе покрытия из Ti(C,H) присутствует 48 об.% включений фазы карбида титана, окруженных слоями интерметаллидов Fe–Ti. В составе покрытия из Ti(C,H)–Cu формируется 85 об.% включений карбида титана в окружении Ti(Fe,Cu) и CuTi2. Размер образующихся карбидных включений с округлой формой составляет от 50 до 200 нм, в виде дендритов – до 5 мкм. Полученные покрытия имеют микротвердость 10 и 8 ГПа для составов соответственно без меди и с медью. Проведена оценка износостойкости покрытий в условиях трения в парах с шариком из стали и сплава ВК6 при отсутствии смазки. Коэффициент трения обоих типов покрытий составляет 0,16– 0,3 при испытаниях со сплавом ВК6 и 0,2–0,4 – с закаленной сталью. При нагрузке на контртело 10 Н и времени испытания 20 мин покрытия практически не изнашиваются.
Ключевые слова
Об авторах
М. А. Еремина
Удмуртский федеральный исследовательский центр (УдмФИЦ) УрО РАН
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. отдела физики и химии наноматериалов Физико-технического института
426067, г. Ижевск, ул. T. Барамзиной, 34
С. Ф. Ломаева
Удмуртский федеральный исследовательский центр (УдмФИЦ) УрО РАН
Россия
Россия
докт. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр., гл. науч. сотр. отдела физики и химии наноматериалов Физико-технического института
426067, г. Ижевск, ул. T. Барамзиной, 34
Е. В. Харанжевский
Удмуртский государственный университет
Россия
Россия
докт. техн. наук, проф., рук-ль лаборатории
426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1
Список литературы
1. Chen Y., Wang H.M. Microstructure and wear resistance of a laser clad TiC reinforced nickel aluminides matrix composite coating. Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 368. P. 80—87. DOI: 10.1016/j.msea.2003.09.104.
2. Emamian A. In-situ TiC—Fe deposition on mild steel using a laser cladding process: Ph.D. thesis. Ontario, Canada: University of Waterloo, 2011. https://uwspace.uwaterloo.ca/bitstream/handle/10012/6148/Emamian_Ali.pdf;sequence=1.
3. Mahmoud E.R.I. Characterizations of 304 stainless steel laser cladded with titanium carbide particles. Adv. Product. Eng. Manag. 2015. Vol. 10. P. 115—124. DOI: 10.14743/apem2015.3.196.
4. Qiao H., Li Q.-t., Fu H.-g., Lei Y.-p. Microstructure and micro-hardness of in situ synthesized TiC particles reinforced Fe-based alloy composite coating by laser cladding. Mat.-Wiss. Werkstofftech. 2014. Vol. 45. P. 85— 90. DOI: 10.1002/mawe.201400188.
5. Razavi M., Rahimipour M.R., Ganji M., Ganjali M., Gangali M. In situ deposition of Fe—TiC nanocomposite on steel by laser cladding. Surf. Rev. Lett. 2017. Vol. 24. P. 1750080-1—1750080-9. DOI: 10.1142/S0218625X17500809.
6. Sampedro J., Pérez I., Carcel B., Ramos J.A., Amigó V. Laser cladding of TiC for better titanium components. Phys. Procedia. 2011. Vol. 12. P. 313—322. DOI: 10.1016/j.phpro.2011.03.040.
7. Sušnik J., Grum J., Šturm R. Effect of pulse laser energy density on TiC cladding of aluminium substrate. Tehnički Vjesnik. 2015. Vol. 22. P. 1553—1560. DOI: 10.17559/TV-20150221215735.
8. Techel A., Berger L.-M., Nowotny S. Microstructure of advanced TiC-based coatings prepared by laser cladding. J. Therm. Spray Technol. 2007. Vol. 16. P. 374—380. DOI: 10.1007/s11666-007-9045-4.
9. Wu X. Microstructural characteristics of TiC-reinforced composite coating produced by laser syntheses. J. Mater. Res. 1999. Vol. 14. P. 2704—2707. DOI: 10.1557/JMR.1999.0362.
10. Yamaguchi T., Hagino H., Michiyama Y., Nakahira A. Sliding wear properties of Ti/TiC surface composite layer formed by laser alloying. Mater. Trans. 2015. Vol. 56. P. 361—366. DOI: 10.2320/matertrans.M2014330.
11. Yang S., Liu W., Zhong M., Wang Z. TiC reinforced composite coating produce by powder feeding laser cladding. Mater. Lett. 2004. Vol. 58. P. 2958—2962. DOI: 10.1016/j.matlet.2004.03.051.
12. Маранц А.В., Сентюрина Ж.А., Ядройцев И.А., Ядройцева И.А., Нарва В.К., Смуров И.Ю. Сравнение свойств материалов сталь—TiC, полученных методами лазерных технологий и порошковой металлургии. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. No. 1. С. 22—26. DOI: 10.17073/1997-308X-2013-1-37-43
13. Нарва В.К., Маранц А.В., Сентюрина Ж.А. Термическая обработка композиционных материалов сталь—TiC, полученных методом лазерной наплавки. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. No. 4. С. 3—7. DOI: 10.17073/1997-308X-2013-4-3-7.
14. Nagumo M., Suzuki T., Tsuchida K. Metastable states during reaction milling of hcp transition metals with hydrocarbon. Mater. Sci. Forum. 1996. Vol. 225. P. 581— 586. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.225-227.581.
15. Еремина М.А., Ломаева С.Ф., Бурнышев И.Н., Калюжный Д.Г., Коныгин Г.Н. Синтез карбогидрида титана при механоактивации в жидком углеводороде. Журн. неорган. химии. 2018. Т. 63. No. 10. C. 1257—1265. DOI: 10.1134/S0044457X18100069.
16. Еремина М.А., Ломаева С.Ф., Бурнышев И.Н., Калюжный Д.Г. Механосинтез прекурсоров для керметов TiC—Cu. Изв. вузов. Физика. 2017. Т. 60. No. 12. C. 92—99.
17. Eryomina M.A., Lomayeva S.F. Composites prepared by multistage wet ball milling of Ti and Cu powders: Phase composition and effect of surfactant addition. Adv. Powder Technol. 2020. Vol. 31. P. 1789—1795. DOI: 10.1016/j.apt.2020.02.014.
18. Renaudin G., Yvon K., Dolukhanyan S.K., Aghajanyan N.N., Shekhtman V.Sh. Crystal structures and thermal properties of titanium carbo-deuterides as prepared by combustion synthesis. J. Alloys Compd. 2003. Vol. 356—357. P. 120—127. DOI: 10.1016/S0925-8388(03)00107-5.
19. Khidirov I. Neutron diffraction study of hydrogen thermoemission phenomenon from powder crystals. In: Neutron Diffraction. Ed. Prof. Irisali Khidirov. InTech, 2012. DOI: 10.5772/37597.
20. Dolukhanyan S.K., Aghajanyan N.N. Receiving of compact carbides and carbohydrides based on titanium and vanadium. In: Carbon nanomaterials in clean energy hydrogen systems. NATO Science for Peace and Security. Series C: Environmental Security. Ed. B. Baranowski, S.Y. Zaginaichenko, D.V. Schur, V.V. Skorokhod, A. Veziroglu. Dordrecht: Springer, 2008. DOI: 10.1007/978-1-4020-8898-8.
21. Sivkov A., Shanenkov I., Pak A.Ya., Gerasimov D.Yu., Shanenkova Yu. Deposition of a TiC/Ti coating with a strong substrate adhesion using a high-speed plasma jet. Surf. Coat. Technol. 2016. Vol. 291. P. 1—6. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.02.022.
22. Dong H. Tribological properties of titanium-based alloys. In: Surface engineering of light alloys. Aluminium, magnesium and titanium alloys. Oxford: Woodhead Publishing, Series in Metals and Surface Engineering, 2010. P. 58— 80. DOI: 10.1533/9781845699451.1.58.
23. Блинков И.В., Волхонский А.О., Лаптев А.И., Свиридова Т.А., Табачкова Н.Ю., Белов Д.С., Ершова А.В. Керамико-металлические (TiN—Cu) наноструктурные ионно-плазменные вакуумно-дуговые покрытия для режущего твердосплавного инструмента. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. No. 2. С. 54—59. DOI: 10.17073/1997-308X-2013-2-54-59.
24. Kharanzhevskiy E., Reshetnikov S. Chromium oxide dissolution in steels via short pulse laser processing. Appl. Phys. A. 2014. Vol. 115. P. 1469—1477. DOI: 10.1007/s00339-013-8064-x.
25. Костенков С.Н., Харанжевский Е.В., Кривилев М.Д. Метод определения характеристик взаимодействия лазерного излучения с нанокомпозитными порошковыми материалами. Физика металлов и металловедение. 2012. Т. 113. No. 1. С. 98—103.
26. Chu Q., Li J., Tong X.W., Xu S., Zhang M., Yan C. Nanoindentation and microstructure analysis of Ti/Fe dissimilar joint. Mater. Lett. 2019. Vol. 238. P. 98—101. DOI: 10.1016/j.matlet.2018.11.152.
27. Buckley D.H. Surface effects in adhesion, friction, wear, and lubrication. Amsterdam — Oxford — New York: Elsevier Sci. Publish. Comp., 1981. P. 262. https://www.sciencedirect.com/bookseries/tribology-series/vol/5/suppl/C.
Рецензия
При поддержке: Авторы выражают благодарность В.Ф. Лысу за проведение трибологических испытаний и оценку шероховатости покрытий. Исследования проведены при поддержке проекта РФФИ № 18-48-180003. При выполнении исследований использовалось оборудование ЦКП «Центр физических и физико-химических методов анализа, исследования свойств и характеристик поверхности, наноструктур, материалов и изделий» УдмФИЦ УрО РАН»
Для цитирования:
Еремина М.А., Ломаева С.Ф., Харанжевский Е.В. Структура и износостойкость покрытий, полученных высокоскоростной лазерной наплавкой механокомпозитов на основе карбогидрида титана. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021;(4):46-56. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-4-46-56
For citation:
Eryomina M.A., Lomayeva S.F., Kharanzhevskiy E.V. Structure and wear resistance of coatings produced by the short-pulse laser alloying of titanium carbohydride-based mechanocomposites. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2021;(4):46-56. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-4-46-56
Просмотров: 230
Послать статью по эл. почте 