Кошуро В.А., Нечаев Г.Г., Родионов И.В., Фомин А.А.,  Пошивалова Е.Ю.

 

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

 

Повышение адгезионно-когезионной прочности и микротвердости газотермических оксидных покрытий на титановом сплаве ВТ16 путем микродугового оксидирования

 

Статья подготовлена при поддержке Гранта РФФИ «а» № 13-03-00248 и Гранта Президента РФ № МД-3156.2015.8

 

Рассмотрено изменение микротвердости и адгезионно-когезионной прочности газотермических оксидных (А1203) покрытий на титановом сплаве ВТ16 после проведения последующего микродугового оксидирования.

Changes of microhardness and adhesive and cohesive durability of gas-thermal oxidic (А1203) coverings after carrying out process of microarc oxygenating are considered.

 

Ключевые слова: микротвердость, адгезионно-когезионная прочность, скретч-тестирование, газотермическое напыление, микродуговое оксидирование.

Keywords: microhardness, adhesive and cohesive durability, skretch-testing, gas-thermal dusting, microarc oxygenating.

 

В качестве материалов для изготовления элементов газозапорной арматуры, лопастей турбин и вентиляторов, а также изделий медицинской, в частности, хирургической техники широкое распространение получают титановые сплавы. Основными преимуществами изделий из титановых сплавов являются высокая удельная прочность, коррозионная стойкость [1]. Основной недостаток титановых сплавов заключается в низкой износостойкости. Широко применяются следующие технологии повышения износостойкости титановых сплавов: диффузионное упрочнение; нанесение износостойких материалов (А1203, Zr02 и др.) газотермическим напылением (ГТН); оксидирование изделий [1, 2].

В настоящее время распространение получили следующие технологии формирования функциональных покрытий на титановых сплавах: газотермическое напыление (ГТН), термическое оксидирование, анодирование и микродуговое оксидирование (МДО).

Известны теоретические и экспериментальные исследования по изучению характеристик оксида алюминия, нанесенного на металлическую основу методом ГТН [3, 4]. Ведутся работы по повышению механических свойств  покрытий, получаемых ГТН, путем плакирования порошков  наносимых материалов  легирующими элементами, индукционно-термической обработкой основы перед напылением или последующей обработкой: высокоэнергетическим воздействием концентрированными источниками энергии [1-5].

Характерной чертой процесса МДО является наличие микродуговых разрядов в среде электролита, вызывающих плавление, перекристаллизацию формируемой оксидной пленки [6]. Предлагается повышать адгезионно-когезионную прочность и микротвердость покрытий, сформированных ГТН оксида алюминия, использовать процесс МДО [7].

Целью работы являлось исследование изменения адгезионно-когезионной прочности и микротвердости газотермических алюмооксидных покрытий после проведения процесса МДО как дополнительного упрочняющего метода обработки поверхности.

В исследованиях использовались цилиндрические образцы  диаметром 6.5 мм и высотой 1.5 мм из титанового сплава ВТ16. На торцевых поверхностях образцов методом ГТН порошка электрокорунда, дисперсностью 75 мкм, с дистанции  130 мм, на установке ВРЕС  744.3227.001 формировалось покрытие. Последующая обработка образцов осуществлялась на экспериментальном стенде МДО-1 в анодном режиме при постоянной плотности тока j = 3000 А/м2 , в течение 20 мин в электролите, содержащем 3 г/л NaOH.

Измерение микротвердости производилось на микротвердомере ПМТ-3М согласно ГОСТ 9450-76. Адгезионно-когезионная прочность покрытий оценивалась методом скретч-тестирования с использованием конического алмазного индентора  (с радиусом закругления 20 мкм) в динамическом режиме нагружения (от 0.05 до 1.5 Н) по линейной  траектории длиной до 3 мм на тестере механических свойств NANOVEA Ergonomic  Workstation (ASTM E2546, ASTM C1624, ASTM G171, ISO 20502).

После проведения процесса МДО величина микротвердости алюмоооксидного покрытия увеличивалась, что характеризует повышенную механическую прочность модифицированной поверхности на титановом сплаве ВТ16 (таблица).

Адгезию тонких покрытий, обладающих высокой твердостью, хрупкостью и малой толщиной определяют методом скретч – тестирования [8]. В процессе скретч-тестирования фиксируются следующие показатели: коэффициент и сила трения, акустическая эмиссия, сила приложенная к индентору, ширина царапины и толщина покрытия.

 

 

 

Таблица

 

 Микротвердость покрытий

 

№ п.п.

Метод формирования покрытия

Среднее значение микротвердости, HV

1.

ГТН

819±100

2.

ГТН и МДО

1600±100

 

Рядом авторов выдвинуто предположение о том, что адгезию обеспечивает слой покрытия, непосредственной прилегающий к подложке. Горизонтальная сила Fг.с., необходимая для перемещения индентора при вертикальной нагрузке на индентор Рв.н., варьируемой от Ркон до Рнач  (на следе от индентора фиксируется ≤5%  площади покрытия) состоит из трех составляющих: силы Fc, необходимой для перемещения индентора через оксидное покрытие при такой вертикальной нагрузке на индентор (Рнач), когда на следе от индентора поверхность основы составляет менее 5% от площади следа; силы Fр, возникающей при движении индентора по подложке при вертикальной нагрузке, равной Ркон – Рнач; силы сцепления покрытия с основой Fсц [8, 9].

Следовательно, сила сцепления покрытия с подложкой определяется выражением: Fсц= Fобщ - Fc - Fр.

Прочность сцепления покрытия с основой получили из формулы:

 

,

 

где S – площадь контакта индентора и покрытия, включающая площадь поверхности скругления индентора Sшс (при радиусе скругления rс = 20 мкм), и площадь его конусной (угол при вершине 60°) боковой поверхности Sk:

 

 

 

где: h – высота шарового сегмента, h = 10 мкм;

r – радиус основания скругления, r = 17,32 мкм.

 

,

 

где: R – радиус основания конуса, в данном случае половина ширины царапины, регистрируемая при скретч-тестировании, мкм;

 lбк – длина боковой поверхности конуса, согласно вычислениям по  теореме синусов, равная (H-h)/0,866 = (H-10)/0,866, где H – толщина покрытия, регистрируемая при скретч-тестировании, мкм.

Следовательно, адгезионно-когезионная прочность покрытий определяется выражением:

 

, МПа.

 

 

Согласно проведенным исследованиям можно сделать следующие выводы: после проведения МДО микротвердость  ГТН покрытия на основе оксида А1203 повышается в два раза, а его адгезионно-когезионная прочность – с 25 до 56 МПа.

 

Литература

 

1.                     Чечулин Б.Б. Титановые сплавы в машиностроении / Б.Б. Чечулин, С.С. Ушков, И.Н. Разуваева, В.Н. Гольдфайн // «Машиностроение». 1977. - 247 с.

2.                     Фомин А.А. Физико-механические свойства биосовместимых оксидно-керамических нанофазных покрытий, полученных на имплантируемых титановых металлоконструциях / А.А. Фомин, И.В. Родионов, М.А. Фомина, Н.В. Петрова, А.Н. Грибов, К.А. Разумов, А.В. Красников // Наноинженерия, 2013. - №11. – С. 30-34.

3.                     Смирнов И.В. Структура и коррозионная стойкость плазменных покрытий при напылении керамических плакированных порошков /  И.В. Смирнов, А.В. Черный, Н.А. Белоусова // Вестник НТУУ «КПИ», 2010.  № 60.

4.                     Оковитый В. А. Модификация плазменных износостойких покрытий импульсным лазером / В.А. Оковитый, Ф.И. Пантелеенко, А.И. Шевцов, О.Г. Девойно, А.Ф. Пантелеенко, В.В. Оковитый // Вестник Брестского государственного технического университета, 2009. - № 4.

5.                     Фомин А.А. Нанокристаллическая структура поверхностного слоя гидроксиапатитовых покрытий, сформированных при плазменном напылении с предварительной индукционно-термической обработкой металлической основы / А.А. Фомин, А.Б. Штейнгауэр, В.Н. Лясников, С.Б. Вениг, А.М. Захаревич // Письма в ЖТФ, 2012. – Т.38. – В.10. – С. 64-69.

6.                     Кошуро В.А. Влияние плазменных процессов формирования покрытий на механические характеристики изделий из титановых сплавов / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова // Упрочняющие технологии и покрытия, 2013. - №10.

7.                     Кошуро В.А. Состав и структура покрытия, полученного на титановом сплаве ВТ16 при комбинированной обработке методами электроплазменного напыления и микродугового оксидирования / В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова // Журнал технической физики, 2014. – Т.64 – Вып.10 – С. 153-155.

8.                     Лунёв В.М. Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения / В.М. Лунев,  О.В. Немашкало// Физическая инженерия поверхности, 2010. - № 1.

9.                      Белоус В.А. Количественное определение прочности сцепления тонких металлических пленок со стеклом / В.А. Белоус, В.М. Лунев, В.С. Павлов, А.К. Турчина // Вопросы атомной науки и техники, 2006. - №4.