ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ, 2007, том 43, № 4, с. 407-412
НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ.
_ ФИЗИКО-ХИМИЯ НАНОЧАСТИЦ, НАНОРАЗМЕРНЫХ _
- И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ -
И ПОКРЫТИЙ, КОМПОЗИЦИОННЫХ И ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.793
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ, СФОРМИРОВАННЫЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА. Ч. I. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНОГО СЛОЯ
© 2007 г. Н. А. Руденская, В. А. Гулецкий
"Технопарк Белорусского национального технического университета "Метолит", г. Минск, Республика Беларусь E-mail: rudenskay@metolit.by Поступила в редакцию 22.05.2006 г.
Представлены результаты исследований микроструктуры металлокерамических покрытий, напеченных с помощью электронного луча. Показаны особенности модифицированных микрообъемов слоя в зависимости от дисперсности компонента-упрочнителя. Приведена информация о новом типе структуры.
PACS: 82.45.Bb
Использование концентрированных потоков энергии позволяет формировать тонкие пленки, получать защитные покрытия [1-3]; проводить термообработку (оплавление) покрытий на основе самофлюсующихся сплавов, и тем инициировать процессы самоорганизации микроструктуры многокомпонентных систем [3-7]; осуществлять термообработку объемных материалов из различных марок сталей [8-10].
Данная часть исследований посвящена структу-рообразованию композиционных покрытий, формируемых с помощью электронного луча из металлокерамических порошковых композиций типа Ni(Co)-Cr-B-Si - оксиды Ti, Al, Zr, Si.
Изучение микроструктуры композиционных покрытий проводили с использованием оптического микроскопа "Neophot-21". Микродюромет-рические исследования выполняли на микротвердомере "ПМТ-3" с нагрузкой 50 г. Качественное и количественное распределение элементов выявляли с помощью микрорентгеноспектрального анализатора LEO 1455VP/"Cambridge Instruments".
Металлографические исследования показали, что из выбранных порошковых систем получены плотные, практически бездефектные слои (пористостью менее 4%, в лучшем случае - менее 1%) вне зависимости от испытуемого состава.
Анализ микроструктуры образцов убеждает, что можно широко варьировать взаимное расположение структурных фрагментов в покрытии. На этой стадии исследований выделены следующие основные виды структур:
- упрочненная отдельными микро- и нанораз-мерными зернами и фрагментами с тонкой структурой (рис. 1а);
- упрочненная дендритообразными включениями, ориентированными в направлении от границы раздела в покрытие (рис. 16);
- с равномерно распределенными карбидо-бо-ридо-оксидными образованиями розеточного типа размером 14-30 мкм (рис. 2).
Остановимся на последнем виде композитов. Из рис. 2 явствует, что образования черного цвета (1) несколько утоплены в объем покрытия относительно его основы (2), на фоне которой выделяются многочисленные твердые включения (3). Микро-рентгеноспектральный анализ (МРСА) структурных фрагментов розеточного типа свидетельствует о том, что твердые включения состоят из боридов СгхВу или карбоборидов СгхВуСг (табл., составы №№ 1-3).
Необычность этого вида микроструктуры слоя заключается в сосредоточении основной массы бо-ридных и карбоборидных образований (3) вблизи оксидных включений (1). Механизм формирования розеточных фрагментов очевиден и состоит в следующем: в расплавленных микрообъемах самофлюсующегося сплава, совмещенных в напыленном слое с относительно менее нагретыми частицами керамики, интенсифицируются процессы кристаллизации вторичных твердых зерен. Следует отметить главное отличие такого вида структуры от структуры покрытия из самофлюсующегося сплава без добавок: в последнем карбоборидные, карбидные и боридные включения распределены
Рис. 1. Микроструктура покрытий, упрочненных: а) микро-ритной формы, ориентированными вглубь покрытия.
равномерно и раздельно, в рассматриваемом же варианте обнаружены в основном включения, сосредоточенные локально вблизи оксидных частиц и в целом представляющие собой образования розеточного типа, распределенные равномерно по высоте напыленного слоя. В объеме покрытия присутствуют и одиночные зерна карбидов и боридов, но их размер и концентрация несравнимо малы. Вышеописанный механизм формирования микроструктуры металлокерамиче-ских покрытий подтверждается исследованиями напыленных слоев, упрочненных ультрадисперсными керамическими включениями, с размером последних менее 5 мкм. На рис. 3 представлен фрагмент включения розеточного вида. Обращает
и наноразмерными включениями; б) образованиями денд-
на себя внимание форма частицы - с четкими гранями, то есть без оплавления при взаимодействии с электронным потоком. Вблизи керамической частицы неправильной формы размером около 3 мкм видны твердые зерна (3), сформировавшиеся в процессе кристаллизации самофлюсующегося сплава. Состав этих зерен отличается большим разнообразием фаз в сравнении с теми, которые граничат с более крупными керамическими частицами. В таблице приведены составы основных видов обнаруженных включений (№ 4-8).
Состав зерен твердого раствора по высоте покрытия существенно изменяется по содержанию железа и незначительно по другим элементам. Концентрация железа в зернах хромо-никелевого (Со) сплава повышается до 23% к границе раздела напыленного слоя со стальной основой (рис. 4а, покрытие 1).
Отмечено также и повышение содержания Сг с одновременным снижением в этом направлении концентрации №, Со и Si. Концентрационная кри-
Рис. 3. Фрагмент розеточного вида включений. ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ том 43 < 4 2007
Рис. 2. Сканограмма включения розеточного типа: (1) - оксидная керамика, (2) - матричный самофлюсующийся сплав, (3) боридные и карбоборидные образования.
Химический состав фаз, сосредоточенных вблизи керамических включений в структурах розеточного типа
№ Содержание элементов, ат. % Вид (предположительно)
1 Cr 31.97 Mo 0.19 Si 0.07 Борид хрома СгхВу
Fe 1.11 Ni 0.52 B 66.14
2 Cr 42.00 Mo 0.25 C 14.60 Карбоборид СгхСуВ2
Si 0.08 Fe 1.45 Ni 0.68
B 40.94
3 Cr 37.31 Mo 0.16 Si 0.11 Карбоборид СгхСуВ2
C 18.80 Fe 0.91 Ni 0.94
Ti 0.08 B 41.68
4 Fe 8.08 Co 37.29 Ni 33.87 Твердый раствор №-Со-Сг-Ре-81
Si 3.01 Cr 17.75
5 Fe 7.25 Ti 19.73 Ni 27.21 Твердый раствор №-Со-Сг-Ре-81,
Si 2.32 Co 30.31 Cr 13.17 насыщенный Т1
6 Co 34.42 Ni 32.16 Cr 9.83 Сложный карбид (Сг, Fe)C
Fe 6.52 C 13.78 Si 3.29 в твердом растворе
7 Cr 42.57 O 30.00 Co 6.38 Оксикарбид (Сг, Fe) ОхСу
C 16.26 Fe 2.25 Ni 1.79 в твердом растворе
Si 0.45
8 Cr 6.98 Co 8.68 Ni 3.92 Оксикарбоборид (Сг, Fe, N1, Со,
Si 2.89 C 22.29 O 15.90 31) 0хСуВ2
Al 0.06 Fe 0.48 B 38.80
9 Ti 11.95-22.32 Cr 7.54-17.22 Fe 8.48-11.51 Сложный карбид (Сг, Т1, Fe)C
Co 7.23-10.15 Ni 6.04-10.15 C 32.85-46.71 в твердом растворе
Si 2.83-5.01
10 Ti 0.34-0.46 Cr 18.72-19.22 Fe 13.93-15.84 Сложный карбид (Сг, Т1, Fe)C
Co 23.75-24.38 Ni 18.48-23.00 C 15.80-18.30 в твердом растворе
Si 1.08-5.87 Al 0.34-0.50
11 Cr 16.74 Fe 22.67 Co 18.38 Оксикарбид (Сг, Fe, Б1) СхОу
Ni 11.24 O 18.79 C 11.29
S 0.87
12 Cr 27.32 Fe 15.43 Co 11.29 Оксикарбид (Сг, Fe, Б1) СхОу
Ni 6.24 O 21.08 C 14.13
Ti 0.54 Si 3.97
вая хрома состоит из двух ветвей, ориентированных к границе раздела покрытие-сталь; этот результат объясняется различным составом фаз вблизи зоны сплавления: наряду с зернами твердого раствора обнаружены фазы, содержащие углерод и отличающиеся более высоким содержанием хрома. Встречаются зерна твердого раствора, насыщенные титаном (табл., № 5). Увеличение времени процесса обработки порошкового композита приводит к интенсивной диффузии железа из стальной основы и существенному повышению его концентрации (20-39%) по всей толщине покрытия (рис. 4, покрытие 2). Что касается фаз, содержащих углерод, кислород и бор, то их можно
выделить в три группы: карбиды (табл., № 6), ок-сикарбиды (табл., № 7), оксикарбобориды (табл., № 8), и все они расположены на фоне твердого раствора (по результатам МРСА), так как отдельно эти фазы трудно анализировать вследствие их малого размера.
Далее рассмотрим структуру покрытия со сферическими включениями. Рисунок 5 иллюстрирует результаты МРСА ультрадисперсного титансо-держащего (керамического) включения сферической формы. Сфероидизация УДП-составляющей напыленного слоя осуществляется в процессе формирования покрытия. Поскольку анализируемая область выходит за границы включения, на кон-
Содержание элемента, ат. % (а)
40 35 30 25 20 15 10 5
0.6 0.5 0.4 0.3
20-40
(б)
100
150
200
20-40
100 150 I, мкм
200
Рис. 4. Изменение содержания элементов по высоте
напыленного слоя: покрытие 1: • - Fe, -ф- - Сг, □ - №,
■ - Со, ▲ - Ti, О - Si; покрытие 2: ® - Fe.
центрационной кривой видны те элементы, из которых состоят близлежащие фазы. Точечный анализ зон, расположенных в области залегания ультрадисперсных керамических включений, свидетельствует о том, что вокруг последних формируется три вида фаз: твердый раствор на основе N1 (Со), Сг (аналогично № 4); содержащие углерод (табл., №№ 9, 10); содержащие С и О (табл., №№ 11, 12).
Среди титан-содержащих образований выявлены следующие:
- твердый раствор №-Со-Сг-Ре-81-Т1 (табл., № 5),
- сложные карбиды типа (Сг, Т1, Ре)С (табл., № 9), содержание титана находится в пределах 12-23 %,
- сложные карбиды типа (Сг, Т1, Ре) С (табл., № 10), содержание титана составляет 0.34-0.54 %,
- оксикарбиды (Сг, Т1, Ре, 81)СхОу (табл., № 12).
Из анализа сфероидизированных частиц малых размеров, находящихся примерно в равных условиях при формировании напыленного слоя, получена зависимость содержания титана (для низколегированных участков), представленная на рис. 46. Из рисунка следует, что диффузия титана
из оксидных включений в направлении к границе раздела более интенсивна, что обусловлено различными условиями охлаждения участков покрытия по его высоте. Говоря о диффузии титана, нельзя не отметить появление алюминия (табл., №№ 8, 10) и повышенное содержание кремния (табл. № 10) в некоторых фазах, граничащих с керамическими включениями, что свидетельствует о диффузии этих элементов из дисперсных оксидных композитов в самофлюсующийся сплав. Диффузион
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.