научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ФАЗ В NI–CR ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЯХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ФАЗ В NI–CR ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЯХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ»

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.24'26:539.216.2

ФОРМИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ФАЗ В Ni-Cr ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЯХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ

© 2012 г. Д. Л. Алонцева*, С. Н. Братушка**, М. В. Ильяшенко**, Н. А. Махмудов***, Н. В. Прохоренкова*, Е. Л. Онанченко**, А. И. Новгородцев**, А. В. Пшик**, В. Н. Рогоз**

*Восточно-Казахстанский государственный технический университет, Усть-Каменогорск, Казахстан **Сумской государственный университет, Сумской институт модификации поверхности, 40007, Сумы, ул. Римского-Корсакова, 2, Украина ***Самаркандский филиал Ташкентского университета информатики, Самарканд, Узбекистан

E-mail: s_bratushka@mail.ru Поступила в редакцию 22.11.2011 г.

Впервые с помощью методов резерфордовского обратного рассеяния, растровой электронной микроскопии с микроанализом, дифракции рентгеновских лучей, сканирующей электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и на-ноиндентирования были исследованы образцы стали 3 с покрытиями на основе Ni—Cr—B—Si—Fe, нанесенными плазменной струей с последующим оплавлением поверхности покрытий плазменной струей. Исследовались структура, фазовый и элементный состав полученных покрытий. В результате исследований было обнаружено формирование нанокристаллических фаз на основе Ni и микрокристаллических фаз на основе CrNi3 с размерами кристаллов от 50 до 150 нм, протяженные дефекты микроструктуры, а также нанообласти с различной ориентацией кристаллографической решетки и размерами зерен порядка 2—3 нм.

Ключевые слова: №—Сг—В—81—Ре, плазменная детонация, нанотвердость, наноструктурные покрытия и пленки, дуплексная обработка.

ВВЕДЕНИЕ

Одна из наиболее актуальных задач материаловедения и физики твердого тела — получение наноструктурных покрытий и пленок с высокими защитными свойствами. Из множества известных методов получения таких покрытий одним из наиболее перспективных является осаждение покрытий с использованием плазменно-детонаци-онных технологий.

В работе [1], посвященной определению коррозионной стойкости металлических и металло-керамических покрытий на стали А181 304Ь, нанесенных методом плазменного напыления, описаны покрытия толщиной от 150 до 500 мкм и отмечено, что основной причиной пониженной коррозионной стойкости является повышенная пористость покрытия. Для устранения недостатков используют дуплексные обработки, приводящие к плавлению покрытия: облучение покрытий электронным пучком в вакууме или повторный проход плазменной струи без порошка покрытия по поверхности покрытий в воздушной среде [2, 3]. Практический опыт использования комбинированных технологий нанесения порошковых покрытий методом плазменной детонации с по-

следующей модификацией электронным облучением или плазмой позволяет утверждать, что механические свойства таких покрытий из металлов и сплавов (микро- и нанотвердость, износостойкость, коррозионная стойкость) хорошие [2, 3].

Известно, что сверхтвердые покрытия, нанесенные методом РУО и СУО, могут терять свои свойства в течение нескольких часов после формирования покрытия [4—6].

Покрытия, нанесенные методом плазменной детонации, таким недостатком не обладают [2], а условия их нанесения — температура плазменной струи порядка нескольких тысяч градусов по Цельсию, высокие скорости частиц металлического покрытия (от 600 до 1000 м/с [2]) в плазменной струе, малое время воздействия струи (около 3 мс) таковы, что предположения о формировании в них аморфных областей или наноструктур вполне оправданы. Известно, что особенно эффективно аморфные или наноструктурированные состояния достигаются при высоких скоростях нагрева, давлении и при малом времени воздействия высоких температур [7]. В работах [8—11], посвященных исследованию структуры и свойств покрытий, нанесенных плазменной струей, отмеча-

ется формирование в них наноструктур после электронного облучения. Известно также, что образование сверхтонкой дисперсной структуры становится причиной существенного улучшения, а в отдельных случаях — коренного изменения свойств материала [4, 12, 13]. С физической точки зрения переход к наносостоянию связан с появлением размерных эффектов, под которыми следует понимать комплекс явлений, связанных с изменением свойств вещества вследствие совпадения размера блока микроструктуры и некоторой критической длины, характеризующей явление (толщины стенки доменов, критический радиус дислокационной петли и др.) [12, 13].

Авторами работ [14—20] было показано, что покрытия на основе №-Сг с различным содержанием хрома и добавок из В, 81 и Бе, нанесенные плазменной струей с последующим оплавлением поверхностного слоя покрытия электронным пучком или плазменной струей, можно использовать для защиты металлов (сталей) от износа и коррозии, а также с целью повышения твердости изделий по сравнению с твердостью подложки [19, 21].

Известно также, что покрытия из никелевых сплавов на основе №—Сг (№—Сг; №—Мо—Сг) служат хорошей защитой даже от смеси кислот (НС1, Н2804, НМ03+НР4) при работе в условиях повышенных температур окружающей среды [22—25]. При использовании же защитных покрытий из этих сплавов толщиной порядка 80— 300 мкм их можно использовать достаточно долго, получив при этом изделия с хорошими эксплуатационными характеристиками [25—27].

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Для получения образцов в качестве основы использовалась инструментальная сталь 3 (Бе-основа, С - 0.25%, 81 - 0.37%, Мп - 0.8%, Р < 0.045%). Нанесение покрытия толщиной от 80 до 300 мкм проводили на плазмотроне "1трике-6" [19] с параметрами: расход порошка ~1.44 х 103 кг/ч, частота следования импульсов - 4 Гц, емкость конденсаторных батарей 800 мкФ. Расстояние до образца составляло 55 мм, а скорость перемещения образцов — 22.8 м/час. Для нанесения покрытий использовали порошок ПГ-19Н-01 (№-основа, Сг - 8-14%; В ~ 2%; 81 ~ 2.5-3%; Бе > 5%). Повторное оплавление поверхностного слоя покрытий проводилось плазменной струей без порошка при расстоянии от среза сопла до образца 45 мм. Скорость перемещения образца составляла 300 мм/ч. В качестве материала для электрода использовался вольфрам. В качестве эродирующего электрода использовали WC. Толщина полученного покрытия составляла не менее 150 мкм.

Для анализа использовали следующие методы: резерфордовское обратное рассеяние ионов Не+ (2.035 МэВ) и ионов с энергией Е = 2.012 МэВ; растровая электронная микроскопия с микроанализом (SEM с EDS — с энергодисперсионным спектром, Selmi, Sumy, Ukraine). Для проведения фазового анализа применяли метод дифракции рентгеновских лучей (XRD), ДРОН-3 (Петербург, Россия), а также метод скользящих Х-лучей (угол скольжения 0.5°). Исследование структуры и морфологии поверхности обработанных плазменной струей в режиме оплавления образцов проводили методами сканирующей электронной микроскопии на приборе JSM-6390 LV ("JEOL", Япония) с приставкой энергодисперсионного анализа INCA ENERGY ("Oxford Instruments", Великобритания). Для определения элементного состава покрытия и подложки применяли рентгенофлуоресцентный спектральный анализ с использованием рентгеновского спектрометра JSX-3100RII ("JEOL", Япония). Изменение химического состава покрытий по глубине исследовалось методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на JPS-9010MC ("JEOL", Япония), покрытия травили в вакууме ионами аргона на глубину 12 нм. Изучение структурно-фазового состава покрытий выполняли на рентгеновском дифрактометре X'Pert PRO ("PANalytical", Нидерланды). Топографию поверхности исследовали на атомно-силовых микроскопах JSPM-5200 ("JEOL", Япония) и NT-206 (Белоруссия).

Испытания на нанотвердость проводились трехгранным индентором Берковича на нано-твердомере Nano Indentor II (MTS Systems Corporation, USA). В процессе испытаний с высокой точностью регистрировались зависимость перемещения вершины индентора Берковича от нагрузки. Точность измерения глубины отпечатка составляла ±75 мН. Значение нанотвердости и модуля упругости при максимальной нагрузке на индентор рассчитывали по методике Оливера и Фарра [26].

Испытания на микротвердость проводили на приборе ПМТ-3 (ЛОМО, Россия) при нагрузках на индентор 2, 5 и 10 Н.

Исследования методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводили на JEM-2100 ("JEOL", Япония). Исследовали фольги из покрытия, предварительно механически утоненные и протравленные аргонными пучками в вакууме до образования сквозного отверстия на установке PIPS (Gatan, Япония), с энергией пучка 5 кэВ. Анализ микроэлектронограмм проводили по методике, изложенной в [28].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

До оплавления плазменной струей покрытие имеет явно выраженную границу с подложкой (рис. 1а), по которой оно склонно отделяться от подложки. Взаимного проникновения элементов покрытия и подложки в масштабах, фиксируемых методом ЕЭ8, не происходит (табл. 1). По данным рентгеновского флуоресцентного анализа обнаружено появление в никелевой матрице покрытий Бе из подложки после оплавления плазменной струей. При этом покрытие плотно прилегает к подложке (рис. 1б). Увеличение весовой доли Бе в покрытии подтверждается и данными ЕЭ8 (рис. 1б и табл. 2). Распределение Бе в покрытии после облучения неоднородно, его содержание уменьшается от подложки к поверхности (табл. 2), но даже на глубине порядка 30 мкм от поверхности покрытия превышает исходное содержание Бе в покрытии на порядок величины. Средний размер зерна покрытия после оплавления плазменной струей составляет величину порядка 5 мкм (рис. 1б). До оплавления покрытие не имело четко выраженной зернистой структуры.

По данным Е8СЛ установлено, что на глубине 12 нм от поверхности содержание С уменьшается с 69.41 до 15.54 ат. %, О с 23.48 до 15.54 ат. %. По глубине, напротив, возрастает содержание Сг с 1.26 до 7.27 ат. %, Бе с 0.07 до 1.47 ат. % и N1 с 1.24 до 53.25 ат. % [30]. Обнаружено, что тонкий слой, сформированный на поверхности образцов после обработки, содержит оксиды, карбиды и различные фазы с элементами покрытия, плохо растворимыми при высоких температурах. Основной слой

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.

Показать целиком