Разработка технологии формирования нанокомпо-зиционных покрытий в системе Ni–Ti с повышенной твердостью и износостойкостью.

Актуальность темы исследования. Ответственные детали в судо- и машиностроении в процессе эксплуатации подвергаются высоким механическим нагрузкам, эрозионным, коррозионным и вибрационным воздействиям. Данные факторы существенно сокращают срок их службы, что вызывает необходимость проведения дополнительных дорогостоящих ремонтно-восстановительных работ. Известно, что наиболее интенсивная пластическая деформация протекает в приповерхностном слое изделия глубиной порядка 50–100 мкм. Усталостное разрушение начинается именно с этого слоя, и именно его состояние определяет долговечность изделия до зарождения усталостных трещин. Следовательно, путем упрочнения этого слоя можно увеличить ресурс службы ответственных узлов трения. Нанесение покрытий, имеющих высокие показатели функциональных свойств (твёрдость, износостойкость, коррозионная стойкость), является одним из путей, позволяющих существенно повысить срок их службы.
Степень разработанности темы исследования. Основные характеристики сплавов на основе никелида титана, представляющие интерес для их практического использования, это сверхупругое поведение и возможность реализации эффекта памяти формы при заданных температурах. В машиностроении его используют в качестве покрытия, увеличивающего ресурс работы механизмов, так как данный сплав имеет высокий уровень износостойких, антифрикционных, коррозионностойких и вибродемпфирующих свойств. У многих методов нанесения износостойких покрытий имеются такие недостатки, как очень низкая скорость процесса и невозможность нанесения покрытий толщиной более 100 мкм, а также негативное термическое воздействие на получаемое покрытие, приводящее к образованию дефектов (растрескиванию, сколам вследствие внутренних напряжений), к окислению материала покрытия и подложки и т.п. Вследствие этого происходит рост наноразмерных структур в покрытии и увеличение термических внутренних напряжений в детали. Решить данные проблемы можно, используя метод «холодного» газодинамического напыления (ХГДН) с последующей лазерной обработки. При «холодном» газодинамическом напылении температура нагрева порошка достигает лишь 60 ⁰С, следовательно, негативного термического воздействия не происходит. За счет этого удается сохранить первоначальную наноструктуру и фазовый состав исходного порошкового материала. В настоящее время проводятся исследования в области разработки объемно-упрочненных армированных наноразмерными керамическими компонентами композиционных порошковых материалов на основе пластичных матричных материалов, позволяющих получать с использованием метода ХГДН покрытия с повышенными физикомеханическими свойствами (твердостью, адгезией и др.) и, соответственно, износостойкостью. В качестве упрочняющих керамических компонентов используют материалы с высокой микротвердостью (до 40 ГПа), такие как карбид бора, оксид алюминия, нитрид титана, карбид вольфрама и др. Последующая лазерная обработка необходима для создания ванны расплава на поверхности изделия, в которой соединяются компоненты и образуется никелид титана. Перспективным направлением является создание комплексных технологий получения и обработки новых материалов, успешно сочетающих преимущества каждой составляющей. Наглядным примером такого сочетания является совместное использование технологий сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления и лазерного синтеза.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка технологии формирования нанокомпозиционных покрытий, обладающих повышенными износостойкостью (износ до 0,024 г/км) и микротвердостью (до 1200 HV), в системе Ni-Ti-наноWC с использованием метода «холодного» газодинамического напыления с последующей лазерной обработкой.
Для успешного достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Систематизировать, обобщить и проанализировать научно-техническую литературу по проблеме создания нанокомпозиционных порошков, а также нанесения износостойких наноструктурированных покрытий современными методами без деградации структуры. 2. Провести входной контроль порошковых материалов на соответствие формы частиц, химического и гранулометрического составов требуемым для получения износостойких покрытий на установке «холодного» газодинамического напыления «Димет-403» с использованием лазерной наплавки на установке Optomec LENS 750. 3. Исследовать влияние режимов установки «холодного» газодинамического напыления «Димет-403» на структуру, микротвердость, химический и фазовый составы покрытий системы Ni-Ti. 4. Исследовать влияние режимов термической лазерной обработки на структуру и фазовый состав полученных ХГДН-покрытий из сплава системы NiTi. 5. Отработать и оптимизировать режимы получения нанокомпозиционного порошка состава Ni-Ti-наноWC. 6. Исследовать структуру и микротвердость покрытий, полученных «холодным» газодинамическим напылением порошковых смесей Ni-Ti-наноWC. 7. Исследовать влияние параметров лазерной обработки на структуру, микротвердость, химический и фазовый составы покрытий системы Ni-TiнаноWC. 8. Исследовать влияние режимов установки лазерной наплавки Optomec LENS 750 на структуру и микротвердость покрытия из сплава NiTi. 9. Обосновать выявленные закономерности изменения износостойкости синтезированных покрытий в зависимости от их структуры.
Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующем: 1. В результате изучения механизма получения композиционного порошка системы 60Ni-40Ti, упрочненного наноразмерным керамическим твердым компонентом WC в вибрационном истирателе, показано, что при содержании в системе Ni-Ti 30 мас.% наноWC в процессе механолегирования происходит практически полное заполнение микропор никеля, так как при дальнейшем добавлении наноWC увеличения его концентрации в механической смеси не наблюдается. 2. Экспериментально установлены закономерности влияния параметров процесса ХГДН на основные характеристики покрытий. Показано, что в покрытии системы Ni-Ti, сформированном методом ХГДН, отсутствуют трещины, сколы и другие дефекты структуры. Микротвердость составляет 150 HV, в покрытии присутствуют только отдельные фазы никеля и титана. 3. Выявлены закономерности влияния режимов лазерной обработки на свойства и структуру покрытий, полученных методом «холодного» газодинамического напыления. Показано, что в результате лазерной обработки в покрытии образуется фаза нитинол и в 4 раза повышается микротвердость покрытия системы Ni-Ti (от 150 HVдо 600 HV). 4. Экспериментально выявлен характер влияния наноразмерного WC в исходной механической смеси системы Ni-Ti на свойства и структуру покрытий. Показано увеличение микротвердости от 300 HV до 600 HV покрытий, полученных с помощью метода ХГДН, за счет введения в структуру исходной механической смеси наноразмерного керамического сверхтвёрдого компонента 25 мас.% WC. 5. Выявлены закономерности влияния режимов лазерной обработки композиции системы Ni-Ti-наноWC на свойства и структуру покрытий. Установлено повышение микротвердости от 600 HV до 1200 HV в результате лазерной обработки ХГДН-покрытий системы Ni-Ti-наноWC. 6. Определен характер взаимосвязи структуры наноструктурированных покрытий, получаемых методом «холодного» газодинамического напыления с последующей лазерной обработкой, с их физическими и механическими свойствами. Показано, что в результате лазерной обработки покрытий не происходит роста структурной компоненты наноWC. Покрытие на подложке из титана марки ВТ6 получается без трещин и сколов. Это позволяет сочетать высокую адгезионную прочность покрытия с высокой микротвердостью и износостойкостью.
Теоретическая и практическая значимость работы: 1. Получены зависимости, позволяющие установить взаимосвязь между химическим составом покрытия системы Ni-Ti и химическим составом исходной механической смеси, а также толщины получаемого покрытия от режимов работы установки «холодного» газодинамического напыления (скорости перемещения сопла, скорости подачи порошка, температуры подогрева газа, расстояния от сопла до подложки). 2. Разработана схема реализации процесса «холодного» газодинамического напыления с последующей лазерной обработкой покрытия систем Ni-Ti и Ni-TiнаноWC, обеспечивающая высокий показатель микротвердости (до 1300 HV) и износостойкости (0,024 г/км при линейной скорости 0,3 м/с и удельной нагрузке 0,68 кгс/мм2 ). 3. С помощью разработанной комплексной технологии (ХГДН с последующей лазерной обработкой) получено покрытие с повышенной износостойкостью на чувствительных к температурному воздействию материалах элементов конструкций машиностроения (титан марки ВТ6). 4. Даны рекомендации по практическому использованию полученных функциональных покрытий в условиях производства прецизионного машино- и судостроения.
Методология и методы исследования Объектами исследования являлись методы «холодного» газодинамического напыления и лазерная обработка покрытий, нанокомпозиционные материалы и износостойкие покрытия на их основе. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования структуры и свойств материалов: оптическая и электронная микроскопия; рентгеноспектральный анализ; атомно-эмиссионный спектральный анализ; рентгенофлуоресцентный метод; метод испытания износостойкости; гранулометрический анализ состава, анализ микротвердости, обработка экспериментальных данных с применением статистических методов анализа результатов на ЭВМ.
На защиту выносятся: 1. Выявленные взаимосвязи между технологическими параметрами процесса «холодного» газодинамического напыления и структурой, и свойствами формируемых покрытий. 2. Совокупность физико-химических закономерностей, определяющих условия формирования высококачественных покрытий в системах «Ni-Ti» и «NiTi-наноWC» методом ХГДН. 3. Установленные зависимости формирования высококачественных износостойких ХГДН-покрытий систем Ni-Ti и Ni-Ti-WC в зависимости от технологических параметров процесса лазерной обработки. 4. Технология лазерной обработки ХГДН-покрытий в системах Ni-Ti и Ni-TiнаноWC, обеспечивающая повышение микротвердости в 4 раза – от 150 HV до 600 HV (патент РФ № RU 2 701 612 C1, патент РФ № RU 192 902 U1). 5. Выявленные закономерности процесса лазерной обработки покрытий систем Ni-Ti и Ni-Ti-наноWC, в результате которой в покрытии образуется интерметаллидная фаза нитинол, что приводит к существенному повышению износостойкости (0,024 г/км при линейной скорости 0,3 м/с и удельной нагрузке 0,68 кг/мм2 ).