ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 1, с. 70-78
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.29571:539.231:539.25'26
ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ МЕХАНОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
© 2008 г. С. Е. Романьков*, Ж. Б. Сагдолдина*, С. Д. Калошкин**, Е. В. Каевицер**
*Физико-технический институт, 050032 Алматы, 32, Казахстан **Московский государственный институт стали и сплавов, 119049 Москва, Ленинский просп., 4
Поступила в редакцию 09.01.2007 г.; в окончательном варианте - 10.07.2007 г.
Метод механохимического синтеза позволяет получать достаточно толстые и плотные, композиционные покрытия при комнатной температуре, за короткое время обработки. Метод очень простой и не требует создания специальной атмосферы. МС-методом на поверхности титана были синтезированы Ti-Al-, Ti-Al-W-C- и Ti-Al-Si-покрытия. При нагреве Ti-Al-композиционных покрытий в интервале температур 600-1000°C на поверхности титана формируются Ti-Al-интерметаллидные фазы. После отжига Ti-Al-Si-покрытий при температурах 900-1000°C, основу покрытий составляли Ti-Al-интерметал-лидные фазы и силицидные фазы. Температурные интервалы фазово-структурных превращений зависят от исходного химического состава. Добавки дополнительных элементов, замедляющих диффузию в системе Ti-Al, могут использоваться для термической стабилизации Ti-Al-интерметаллидных фаз.
PACS: 81.15.Np, 68.55.-a
ВВЕДЕНИЕ
Алюминиды титана (TiAl, Ti3Al и Al3Ti) и сплавы на их основе относятся к новому классу легких жаропрочных материалов, которые предназначены для работы при температурах 700-1100°C, т.е. выше температур, при которых работают современные титановые суперсплавы (Гр < 600°C) [1-3]. Низкая плотность, высокая удельная прочность, жесткость, трещиностойкость и высокое сопротивление окислению и горению делают их перспективными материалами во всех энергоемких отраслях промышленности. В настоящее время рассматривается применение алюминидов титана в качестве защитных покрытий на поверхности титановых сплавов. Al3Ti/Al2Ti покрытия увеличивают износостойкость, коррозионную стойкость, увеличивают твердость поверхности, не оказывая существенного влияния на механические свойства матрицы [4-8]. Сегодня используются и разрабатываются различные методы металлизации титана и его сплавов [9-13]. Улучшение прочностных свойств покрытий, увеличение их термической и фазовой стабильности являются основными текущими задачами.
Известные способы нанесения покрытий на металлические поверхности, такие как гальванический, распылительный или испарительный имеют большие ограничения по используемым материалам, температурам и газовой атмосфере, что часто требует применения дорогостоящих технологий с использованием лазерного, дугового или вакуумного оборудования. В данной работе рассматривается возможность применения метода механохимического синтеза (МС) для получения композиционных Ti-Al-покрытий на поверхности титана.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Рис. 1 поясняет сущность МС-метода. Металлические шары (диаметром 5 мм) и металлический порошок помещается внутрь камеры, которая приводится в вибрационное движение. Вибрация камеры передает энергию шарам, которые начинают хаотично летать, бомбардируя поверхность обрабатываемого материала. Частицы порошка под действием ударов шаров осаждаются на поверхность образца. Контейнер и шары были изготовлены из стали ШХ 15. Объем камеры 20 см3. Частота колебаний составляла 50 Гц. Камера
Механический генератор
плотно герметизировалась после загрузки образца и порошков. Процесс МС продолжался 1 ч.
В качестве подложек использовался листовой титан чистотой 99.99%. Размер образцов 2 х 7 х 7 мм. Поверхность образцов перед процессом была отполирована. В качестве исходных материалов использовались порошки Ti, Al и W чистотой 99.9%, порошок Si чистотой 99.99% с размерами частиц менее 50 мкм и порошок алмаза с размером частиц менее 1 мкм. Масса загружаемого порошка и синтезированные покрытия приведены в табл. 1. Покрытия Ti-Al-Si1 и Ti-Al-Si2 отличаются друг от друга по массе загружаемого порошка Si.
После МС образцы отжигали в вакууме 10-4 Па в интервале температур 600-1100°C с последующим охлаждением с печью. Время выдержки при каждой температуре составляло 2 ч. Исследование фазового состава и кристаллической структуры образцов осуществляли методами рентгено-структурного анализа на дифрактометре ДРОН-6 в CuAa-излучении и сканирующей электронной микроскопии на микроскопе JCXA-733, оснащенным детектором легких элементов Link Systems (Oxford Instruments, Oxfordshire, England).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура исходных образцов. На рис. 2 приведены типичные структуры МС-покрытий, полученных методом механического сплавления. Структура покрытий имеет высокую плотность и состоит из частиц Ti в алюминиевой матрице. В Ti-Al-W-C-покрытии наряду с частицами Ti присутствуют частицы W (рис. 2а). При синтезе Ti-Al-Si-покрытий хрупкий кремний сильно измельчаются под действием удара шаров, и относительно равномерно распределяется по толщине покрытия (рис. 26). При этом наблюдаемая плотность распределения Ti частиц в Ti-Al-W-C-покрытии была выше, чем, например, Ti-Al-Si2-слое (рис. 2а и 26).
Толщина Ti-Al-W-C- и Ti-Al-Si2-покрытий составляла около 150-170 мкм, а Ti-Al и Ti-Al-
Таблица 1. Покрытия, синтезированные МС-методом
Покрытия Масса загружаемого порошка, г Толщина покрытия, мкм
Ti-Al Ti Al/1.5 : 1.5 ~210
Ti-Al-W-C Ti Al : W : C/1.5 : 1.5 : 0.7 : 0.05 ~150
Ti-Al-Sil Ti Al : Si/1.5 : 1.5 : 0.15 ~220
Ti-Al-Si2 Ti Al : Si/1.5 : 1.5 : 0.5 ~170
Sil - 210-220 мкм. Исходная масса загружаемой Ti-Al смеси для всех случаев была одинаковой и составляла 3г (1.5 г Ti + 1.5 г Al). Синтезируемые покрытия отличались по исходной массе вводимой дополнительной компоненты (табл. 1). Если масса дополнительной компоненты превышала 0.5 г, толщина и морфология покрытий существенно изменялись. В целом, механическое сплавление есть результат повторяющихся действий - холодного диффузионного приваривания и разрушения. Холодное диффузионное приваривание не происходит, если частицы непластичные. Считается, что для достижения сплавления необходимо иметь в смеси не менее 15% пластичной компоненты [14]. Следовательно, добавки С, W и Si в исходную смесь Ti-Al-порошков оказывают заметное влияние на диффузионное приваривание частиц и соответственно на толщину наносимого покрытия.
На рис. 2в приведена типичная микроструктура поверхности МС-покрытий. Структура слоистая. На некоторых участках структура напоминает ямочный излом. Данная морфология свидетельствует о вязком поведении материала во время МС, что может указывать на повышенные локальные температуры под воздействием ударов шаров. Напряжения, генерируемые во время МС, достаточно высоки [14]. Под воздействием ударов шаров происходит диффузионное сцепление частиц и подложки. Вероятно, что частицы мягких элементов, в нашем случае это Al, закрепляются на подложке. Частицы более твердых элементов, Ti и W, вбиваются в вязкую матрицу. Растущий слой подвергается интенсивной деформации. Под воздействием деформации Al затекает в поры между
Рис. 2. Структура МС-покрытий в исходном состоянии:
а - поперечное сечение Ti-Al-W-C-покрытия; б - поперечное сечение Т1-Л1-812-покрытия; в - типичная микроструктура поверхности Т-Л1-покрытий.
Таблица 2. Изменение фазового состава MC-покрытий при нагреве
Покрытия Температура нагрева, °C
600 900 1000
Ti-Al Ti-Al-W-C Ti-Al-Si1 Ti-Al-Si2 Al3Ti, Al24Ti8, Ti Al3Ti, Al24Ti8, W, Ti Al3Ti, Ti Al3Ti, Ti, (Х-фазы: Ti5Si3, TiSi) Al2Ti, Al3Ti, TiAl, Ti Al2Ti, Al3Ti, W, Ti Al3Ti, Ti5Si3, Al2Ti Al3Ti, Ti5Si3, Ti TiAl, Al2Ti, Ti Al2Ti, Al3Ti, W, Ti Ti5Si3, Al2Ti, Al3Ti, Ti Ti5Si3, Al2Ti, Al3Ti
твердыми частицами, в результате происходит рост очень плотного и прочного покрытия. Рост покрытия происходит неравномерно, в результате на поверхности формируется грубая микроструктура. Однако, как показали последующие эксперименты, варьирование режимов нанесения может приводить к росту достаточно ровного и однородного покрытия.
Примеси. Максимальное содержание железа в покрытии, обнаруженное методом рентгенофлу-оресцентного микроанализа, составляло около 0.3 ат. % на границе раздела покрытие/подложка, и уменьшалось по направлению к поверхности покрытия. Причина такого низкого содержания железа заключается в том, что на начальных этапах механического синтеза шары и внутренняя поверхность стенок камеры покрываются Ti-Al-слоем, который препятствует проникновению железа в покрытие. Следов кислорода и азота детектором легких элементов Link System обнаружено не было. Как известно, степень загрязнения при механическом сплавлении зависит от интенсивности помола, природы порошка, весового соотношения шаров и порошка, степени герметизации камеры и др. [14]. Если камера не герметизирована соответствующим образом, окружающая атмосфера проникает в контейнер и загрязняет порошок. Когда используются активные металлы, такие как титан, помол в плохо герметизированной камере может приводить к сильному загрязнению и образованию нитридов и оксидов. Однако тщательный контроль герметичности может уменьшить загрязнение для титановых сплавов вплоть до 100 ppm по кислороду и 15 ppm по азоту [14]. В нашем случае интенсивность помола была не высокой, а время помола небольшое. Соответственно, если камера была хорошо, герметизирована содержание кислорода и азота в покрытии было меньше чувствительности детектора легких элементов.
Таким образом, МС-метод позволяет наносить очень толстые и плотные Ti-Al-покрытия при комнатной температуре за относительно короткий промежуток времени. Эта технология не требует использования специальной атмосферы. МС-метод позволяет наносить многокомпонентные смеси на поверхность и тем самым дает возможность получения композиционных Ti-Al-структур.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Покрытия Т1-Л1 и Ti-Al-W-C. В табл. 2 приведено изменение фазового состава МС-покры-тий в зависимости от состава исходного порошка и температуры отжига. При нагреве до 600°С реакция взаимодействия между Т и А1 приводит
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.