Физика /2

асс. Кошуро В.А., к.т.н., доц. Фомин А.А., д.т.н., проф. Родионов И.В.

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

Структура и микротвердость оксидных покрытий, сформированных плазменными процессами на титане

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

В настоящее время для повышения функциональных характеристик титана на его поверхности электрохимическими и газотермическими методами формируют функциональные оксидные покрытия. Газотермическое напыление (ГТН) керамических материалов на титановые сплавы, применяется для формирования электроизоляционных и термостойких покрытий, повышения износостойкости и коррозионной стойкости. Микродуговое оксидирование (МДО), применяется для получения коррозионостойких и износостойких оксидных покрытий из металла основы [1-6]. Известен комбинированный метод формирования оксидных покрытий на титане (ГТН+МДО), состоящий из проведения ГТН электрокорунда и последующего МДО [7].

Упомянутые выше плазменные методы обладают рядом преимуществ и недостатков, обуславливающих выбор того, или иного метода для получения оксидных покрытий на титановых изделиях различного назначения.

Целью представленной работы является сравнительное исследование структуры, микротвердости и напряжения пробоя покрытий, сформированных методами ГТН, МДО и по комбинированной технологии.

Методика экспериментальных исследований и обсуждение результатов

Для проведения исследований использовались образцы из титана марки ВТ1-00 с покрытиями , полученными методами МДО, ГТН и ГТН+МДО.

Перед нанесением покрытий образцы подвергались очистке в ультразвуковой ванне УЗВ2-0,16/37:

1. в водном растворе ПАВ при температуре от 35 до 40 ºС в течение 3 минут;

2. в водном растворе этилового спирта в течение 2 минут;

3. в дистиллированной воде комнатной температуры в течение 1 минуты.

Покрытия наносили:

· методом МДО на экспериментальной установке МДО-1, в анодном режиме при постоянной плотности тока j = 10³ А/м2 в течение 20 минут в электролите, содержащем 3 г/л NaOH;

· методом ГТНН в воздушной среде на установке ВРЕС 744.3227.001. Напыление порошка оксида алюминия, марки 25AF230 дисперсностью 50 - 100 мкм, производилось с дистанции 120 мм при токе дуги плазмотрона 400 А;

· методом ГТН порошка оксида алюминия, марки 25AF230 дисперсностью 50 - 100 мкм, с дистанции 120 мм при токе дуги плазмотрона 400 А с последующим МДО на экспериментальной установке МДО-1, в анодном режиме при постоянной плотности тока j = 10³ А/м2 в течение 20 минут в электролите, содержащем 3 г/л NaOH.

Морфология и структура покрытия основы исследовались на металлографическом микроскопе МИМ-8 с помощью фотоаппарата FujiFilm jv200.

Микротвердость покрытий определялась с использованием твердомера HVS-1000B с видеоизмерительной системой SP-5. При этом использовалась нагрузка на индентор Виккерса равная 0,98 Н и 1.96 Н при выдержке 15 секунд (ГОСТ 9450 - 76).

Величина напряжения пробоя измерялась на лабораторном стенде «Изучение диэлектрической прочности твердых диэлектриков» МВ 002.

Покрытия, сформированные методом МДО, имеют сплошную структуру с большим количеством пор, сформированных при воздействии микродуговых разрядов (рис. 1).

Рис. 1 . Структура оксидного покрытия, сформированного МДО: а – эпоксидная смола; б – покрытие; в – пора; г – металл основы (ширина кадра 155 мкм)

Структура покрытия сформированного методом ГТН представляет собой оплавленные и спеченные частицы оксида алюминия (рис.2).

Рис. 2 . ГТН оксида алюминия: а – эпоксидная смола; б – покрытие; в – частицы оксида алюминия; г – основа (ширина кадра 155 мкм)

Неоднородность структуры, в виде отдельных частиц, равномерно распределенная по всему покрытию подтверждает, что режимы ГТН, такие как дистанция напыления, давление плазмообразующего и транспортируещего (напыляемы порошок) газов оставались практически не изменными в процессе напыления; однородные участки покрытия образуются наиболее проплавленными частицами оксида алюминия, имеющими размер близкий к 50 мкм (напылялся порошок корунда дисперстностью 50 – 100 мкм).

Покрытие сформированное предварительным ГТН на основу оксида алюминия с последующим МДО, имеет сплошную малопористую структуру (Рис. 3).

Рис. 3 . Структура оксидного покрытия, сформированного ГТН и МДО: а – эпоксидная смола; б – покрытие; в – поры; г – металл основы (ширина кадра 155 мкм)

При сравнительной визуализации фотографий микрошлифов, приведенных на Рис.1,2 и 3 заметно, что наименьшим количеством дефектов структуры обладают покрытия, полученные ГТН и последующим МДО.

Проводились исследования микротвердости образцов с полученными покрытиями. Результаты измерения представлены в Таблице 1 (перевод величин в шкалу HRC осуществлялся согласно стандарту DIN 50150). Согласно проведенным исследованиям наибольшей микротвердостью обладают покрытия полученные ГТН+МДО, что вероятно связано с изменением структуры газотермического покрытия в результате проведения МДО.

Таблица 1. Результаты измерений микротвердости покрытий

Материал образца	Тип покрытия	Нагрузка на индентор, Н	Значение микротвердости, HV	Среднее значение микротвердости
				HV	HRC
ВТ1-00	-	0.981	314; 372; 380; 400; 480; 580	407.7	41.8
	МДО	0.981	270; 290; 245; 293; 330	476	47.3
	ГТН	0.981	700; 840; 1019	853	65.5
	ГТН+МДО	0.981	463.1; 1588.5; 2471.5; 2595.01	1779.53	-

Проводились измерения пробивного напряжения, на образцах с покрытием нанесенным на одну поверхность (Таблица 2).

Таблица 2 . Результаты измерения пробивного напряжения

Материал образца	Тип покрытия	Напряжение пробоя, В	Среднее значение напряжения пробоя, в
ВТ1-00	МДО	600; 700; 700	666.7
	ГТН	700; 700; 750; 800	737.5
	ГТН+МДО	800; 800; 800	800

Согласно проведенным исследованием, покрытия, сформированные ГТН оксида алюминия с последующим МДО, в сравнении с ГТН и ГТН+МДО, характеризуются более высокими показателями микротвердости и пробивного напряжения, малопористой структурой.

Литература

1. Corrosion properties of plasma-sprayed Al₂O₃-TiO₂ coatings on Ti metal/ Y. Song, I. Lee, S. N. Hong, B. Kim, K. H. Lee, D. Y. Lee. // J. MATER SCI 41 (2006) 2059–2065.

2. Corrosion Behavior in Boiling Dilute HCl Solution of Different Ceramic Coatings Fabricated by Plasma Spraying/ Y. Dianran, H. Jining, Xiangzhi Li, D. Yanchun, L. Yangai , Z. Jianxin // J. Thermal Spray Technol. - 2004, 13(4). - p 503–507.

3. Антифрикционные свойства и коррозионная стойкость детонационного покрытия из Al₂O₃, применяемого в машиностроении / Астахов Е.А // Автом. Сварка. – 2004. – № 1. – С. 20–22.

4. Структура и коррозионная стойкость плазменных покрытий при напылении керамических плакированных порошков / Смирнов И.В., Черный А.В., Белоусова Н.А.// Вестник НТУУ "КПИ" – 2010. - № 60

5. Пат. 3.075.896 США, Кл.204-37. Process for coating titanium articles / L.D. McGraw, J.L. Stockdale (USA); Shuron Optical Company (USA). - № 769569; Заявлено 27.10.58; Опубл. 29.01.63.

6. Марков Г. А. Микродуговые и дуговые методы нанесения защитных покрытий / Г. А. Марков, О. П. Терлеева, Е. К. Шулепко // Тр. Моск. ин-та нефти и газа им. И.М.Губкина.- М., 1985. С. 54-56

7. Koshuro V.A. Composition and Structure of Coatings Formed on a VT16 Titanium Alloy by Electro-Plasma Spraying Combined with Microarc Oxidation / V.A. Koshuro, G.G. Nechaev, A.V. Lyasnikova // Technical Physics, 2014. - Vol. 59. - №10, P. 1570-1572.