Использование нагружения взрывом для получения покрытий из смесей порошков карбида хрома и титана в режиме наплавки

Представлены результаты исследований микроструктуры, химического и фазового составов покрытий, наплавленных на стальную подложку с использованием скользящего взрывного нагружения смесей порошков карбида хрома (Cr₃C₂) и титана. Равновесный фазовый состав покрытий рассчитывали путем численного термодинамического моделирования с использованием программного комплекса Thermo-Calc. Исследование структуры и элементного состава проводили с помощью растрового электронного микроскопа FEI Versa 3D с интегрированной системой микрорентгеноспектрального энергодисперсионного анализа EDAX Apollo X. Для проведения рентгеноструктурного фазового анализа использовали дифрактометр Bruker D8 Advance. Показано, что при нагружении порошкового слоя скользящей детонационной волной может быть реализован его сдвиг по поверхности подложки за счет горизонтальной составляющей массовой скорости частиц спрессованного материала. Сдвиг приводит к оплавлению внутреннего слоя спрессованного порошка и поверхностного слоя подложки в результате трения. Наличие жидкой фазы препятствует торможению спрессованного порошкового слоя, в результате чего большая его часть выносится с поверхности подложки. Оставшаяся на поверхности жидкая фаза претерпевает быструю закалку за счет теплоотвода в подложку и образует наплавленное покрытие, содержащее в своем составе компоненты как исходной порошковой смеси, так и покрываемой подложки. Установлено, что структура наплавленного слоя отличается крайне высокой дисперсностью (размер зерна не превышает 250 нм), а его фазовый состав оказывается близким к термодинамически равновесному. При использовании порошковых смесей карбида хрома с 40 % титана формируется покрытие, состоящее из карбида титана с металлической связкой на основе твердых растворов железа и титана в хроме.

1. Kear B.H., Skandan G., Sadangi R.K. Factors controlling decarburization in HVOF sprayed nano-WC/Co hard coatings. Scripta Mater. 2001. Vol. 44. No. 8-9. P. 1703—1707.

2. Калита В.И., Радюк А.А., Комлев Д.И., Иванников А.Ю., Благовещенский Ю.В., Григорович К.В., Шибаева Т.В., Умнова Н.В., Молоканов В.В., Умнов П.П., Мельник Ю.И. Плазменные покрытия WC—Co из механически легированного порошка. Физика и химия обработки материалов. 2014. No. 5. С. 22—29.

3. Mrdak M.R. Mechanical properties and microstructure of vacuum plasma sprayed Cr3C2-25 (Ni20Cr) coatings. Vojnotehnički glasnik. 2015. Vol. 63.No. 2. P. 47—63.

4. Bogatov Y.V., Shcherbakov V.A. TiC—20% Cr(Ni) Composites by forced SHS compaction: Influence of mechanical activation mode. Int. J. SHS. 2021. No. 30(1). Р. 58—59.

5. Kalita V.I., Radyuk A.A., Komlev D.I., Ivannikov A.Yu., Mikhailova A.B., Alpatov A.V. Cermet plasma coating TiC—Cr3C2—NiCr—MoC. J. Phys. Conf. Ser. 2018. No. 1121(1). Art. 012015.

6. Yang X., Pang H., Zhang H., Wang Q., Zhao C., Li Z., Zheng H. Mirostructure and oxidization of mo alloys by spark plasma sintering. Mater. Sci. Forum. 2018. 936 MSF. P. 164—170.

7. Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И. Основы технологии получения износостойких покрытий из смесей порошков карбида хрома с металлической связкой взрывным прессованием. Известия вузов. Цветная металлургия. 2018. No. 3. С. 68—83.

8. Prummer R. Explosive compaction of powders and composites. Boca Raton: CRC Press, 2006.

9. Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И., Пай В.В. Уплотнение смесей порошков карбида хрома и металлической связки при взрывном прессовании. Физика горения и взрыва. 2019 Т. 55 No. 4. C. 129—137.

10. Lee S.H., Hokamoto K. WC/Co coating on a mild steel substrate through underwater shock compaction using a self combustible material layer (WC/Co coating through underwater shock compaction). Mater. Trans. 2007. Vol. 48. No. 1. P. 80—83.

11. Яковлев И.В., Оголихин В.М., Шемелин С.Д. Взрывное изготовление металлокерамических защитных контейнеров. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2012. T. 14. C. 55—60.

12. Buzyurkin A.E., Kraus E.I., Lukyanov Y.L. Explosive compaction of WC + Co mixture by axisymmetric scheme. J. Phys. Conf. Ser. 2015. Vol. 653. No. 1. Art. 012036.

13. Крохалев А.В., Харламов В.О., Тупицин М.А., Кузьмин С.В., Лысак В.И. О возможности получения твердых сплавов из смесей порошков карбидов с металлами взрывным прессованием без спекания. Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 2. С. 22—30.

14. Агеев Е.В., Латыпов Р.А., Агеева Е.В. Исследование свойств электроэрозионных порошков и твердого сплава, полученного из них изостатическим прессованием и спеканием. Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. No. 6. С. 51—55.

15. Панов В.С., Зайцев А.А. Тенденции развития технологии ультрадисперсных и наноразмерных твердых сплавов WC—Co. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. No. 3. С. 38—48.

16. Pirso J., Viljus M. Structure formation of Cr3C2-based cermets during sintering. Proceedings of Powder Metallurgy World Congress. Kyoto, Japan. 2000. P. 1265—1268.

17. Duran C., Eroglu S. Liquid-phase sintering and properties of Cr3C2/NiCr cermets. J. Mater. Process. Technol. 1998. Vol. 74. No. 1-3. P. 69—73.

18. Рогозин В.Д. Взрывная обработка порошковых материалов. Волгоград: Политехник, 2002.

19. Каунов A.M., Шамрей А.В. О механизме формирования металлизационных слоев при высокоскоростном метании порошков на металлические подложки. Физика и техника высоких давлений. 1982. No. 8. С. 38—41.

20. Каунов А.М. О роли макропластических течений в формировании металлизационных слоев при высокоскоростном соударении порошка с металлической подложкой. Физика и химия обработки материалов. 1984. No. 12. С. 28—34.

21. Kaunov A.M., Burminskaya L.N., Bukin V.M., Ryadinskaya I.M. Formation of the structure of powder-metallurgy coatings obtained by the impact wave method. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1986. Vol. 25 (5). P. 402—405.

22. Kaunov A.M., Bukin V.M. Explosive application of coatings. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1984. Vol.23 (1). P. 42—45.

23. Jing Wang, Wen-Zhi Li, Heng-De Li. Mechanical properties of TiC/metal multilayers synthesized by ion beam sputtering technique. J. Vacuum Sci. Technol. B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement and Phenomena. 2001. Vol. 9. Р. 250—254. DOI: 10.1116/1.1343098.

24. Shi K., Hu S., Liang L. Effect of tempering treatment on microstructure and fatigue life of TiC—Cr overlay, produced by plasma transferred arc alloying. J. Mater Sci. 2012. Vol. 47. P. 720—729. DOI: 10.1007/s10853-011-5845-5.

25. Харламов В.О., Крохалев А.В., Тупицин М.А., Кузьмин С.В., Лысак В.И. Методика расчетной оценки физических условий сжатия при взрывном прессовании порошкового материала на стальном основании. Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. 2015. No. 5. C. 57—61.

26. Еремин Е.Н., Лосев А.С., Бородихин С.А., Пономарев И.А., Маталасова А.Е. Влияние старения на структуру и свойства металла 30Н8Х6М3СТЮ, полученного наплавкой. В сб. Проблемы машиноведения: Матер. III Междунар. науч.-техн. конф. (Омск, 23—24 апреля 2019 г.). С. 29—35. eLIBRARY ID: 37541796.

27. Fukunaga T., Ishikawa E., Mizutani U. Structural observations during amorphization process of the (Cr0.7Fe0.3)– N system by MA. Mater. Sci. J. Japan Soc. of Powder and Powder Metallurgy. Publ. 25 Sept. 1991. DOI: 10.2497/JJSPM.38.940.

28. Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. М.: Машиностроение-1, 2005.

29. Гурьев Д.Л., Гордополов Ю.А., Зарипов Н.Г., Кабиров Р.Р. Ударный синтез и микроструктура сплава Ti—Al. Физика горения и взрыва. 2009. Т. 45. No. 1. С. 117—124.