CC BY
13
УДК 621.793/795-047.37
Канд. техн. наук А. М. Пономаренко, канд. техн. наук Е. Я. Губарь,
И. И. Фенько, В. Ю. Васильченко
Черкасский государственный технологический университет, г. Черкассы
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ, СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ПОКРЫТИЯ СОСТАВА
Т1-А!-Ег-Мо
Рассматривается возможность повышения несущей способности поверхности лопаток компрессора современного ГТД за счет применения вакуумного ионно-плазменного покрытия сложного элементного состава. Исследуется морфология и структура покрытия, полученного распылением катода многокомпонентного состава. Определяются механические характеристики предлагаемого покрытия.
Ключевые слова: ионное модифицирование, многокомпонентный катод, вакуум, покрытие, многокомпонентный состав, распыление, микроструктура, тлеющий разряд.
Введение
В настоящее время резко возрастают требования к уровню и стабильности эксплуатационных свойств лопаток турбомашин. Поверхность лопаток компрессора газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации подвержена воздействию газоабразивного потока при температуре 100-550 °С. Лопатки паровых турбин также подвержены абразивному износу, вызванному постоянным присутствием в перегретом паре абразивных твердых частиц. Вследствие чего основными видами повреждений этих деталей являются коррозионный и эрозионный износ [1].
Задача повышения стойкости рабочей поверхности лопаток турбомашин решается за счет применения различных технологических схем их обработки, наиболее перспективной из которых является ионно-импланта-ционная модификация поверхности с последующим нанесением вакуумного ионно-плазменного покрытия. На сегодняшний день широко известны покрытия на основе нитридов и карбидов титана, циркония, хрома [1-5], что обусловлено, прежде всего, уникальным набором физико-химических характеристик этих соединений [6].
Целью данной работы является разработка и исследование морфологии, структуры и фазового состава вакуумного ионно-плазменного покрытия, полученного электродуговым распылением многокомпонентного катода состава ТьА1-2г-Мо.
Состояние исследований и актуальность работы
В качестве оборудования для ионно-имплантацион-ного модифицирования с последующим нанесением вакуумного ионно-плазменного покрытия использовалась модернизированная установка ВУП-1БС, оснащенная аксиально-симметричным электродуговым испарителем.
Ионная очистка поверхности образца от загрязнений осуществлялась в тлеющем разряде при давлении Р = 5х10-2 Па и потенциале смещения Псм = 1х103 В. Затем в вакуумную камеру подавался азот до Р = (3.. ,5)х 10-1 Па и производилась активация поверхности исследуемых образцов.
Процесс напыления включал три этапа: подготовительный, нанесение подслоя, осаждение покрытия. Подготовительный этап заключался в очистке и одновременном нагреве ионами многокомпонентной мишени поверхности образца в среде аргона, при этом температура образца не превышала 450 °С. Затем на поверхность образца наносили подслой с целью улучшения адгезии покрытия к подложке. На этапе осаждения покрытия в камеру подавался реакционный газ азот до Р = (3.5) х 10-1Па. Напыление вели до достижения толщины покрытия» 10 мкм. В качестве подложки использовался цилиндрический образец из стали 20Х13 (рис. 1). Перед нанесением покрытия поверхность образца подвергалась электролитно-плазменному полированию (ЭПП). ЭПП обеспечивает снижение параметра шероховатости Ка с 0,63 до 0,03-0,05 мкм при значительном сокращении трудоемкости подготовки к
напылению [7].
0р
Рис. 1. Эскиз образца из стали 20X13
© А. М. Пономаренко, Е. Я. Губарь, И. И. Фенько, В. Ю. Васильченко, 2015
Морфология поверхности образца с покрытием исследовалась на оптическом металлографическом микроскопе Olympus GX-71 и растровом электронном микроскопе Philips SEM 515.
Количественный элементный анализ покрытия проводился на микроанализаторе EDAX ECON IV с пространственным разрешением 1,0 х 1,0 х 5,0 мкм.
Микрогеометрия покрытия исследовалась на про-филометре 296 (А-703) с компьютерной приставкой «Сигма-тест», отвечающим требованиям ГОСТ 19300-86 на измерение параметров шероховатости. Измерение параметров шероховатости покрытия проводилось в двух взаимно перпендикулярных направлениях на длине трассы 1,5 мм при отсечке шага 0,25 мм в соответствии с ГОСТ 2789-85.
Твердость и модуль упругости покрытия определялись при наноиндентировании образца, путем вдавливания индентора с алмазным наконечником в приповерхностный слой. Обработка данных осуществлялась с помощью программного обеспечения нанотвердомера Nano Hardness Tester фирмы CSEM. Измерение нанот-вердости образца с покрытием проводилось при нагрузке 300 мН, при этом глубина проникновения индентора во всех случаях не превышала 1200 нм. Обработка экспериментальных данных осуществлялась по результатам измерений не менее 3 отпечатков, полученных при одинаковых условиях эксперимента. Твердость определялась максимальной нагрузкой, разделенной на проецируемую площадь контакта после разгрузки (формула 1) [8]:
H =■
Ap
(1)
Твердость по Виккерсу [8] определялась максимальной нагрузкой Ршах, разделенной на площадь контакта после разгрузки:
Р
Hv = 1,854- 2
d
(2)
Фазовый состав и структура покрытия исследовались методами рентгеноструктурного анализа на диф-рактометре Shimadzu ХКЭ-6000 с компьютерным управлением и записью спектров. Для исключения влияния структуры и фазового состава подложки на получаемые в процессе съемки результаты использовался метод скользящего пучка, при котором на образец с покрытием под малым углом а падает монохроматический рентгеновский пучок, что позволяет проводить анализ в тонких приповерхностных слоях. Съемка проводилась с использованием Си К излучения с постоянным углом входа а = 5
Результаты эксперимента и их обсуждение
Оптическое изображение поверхности образца представлено на рис. 2. Из рисунка видно, что на поверхности покрытия имеются светлые и темные участки, что может быть связано с их различным элементным и фазовым составом.
Рис. 2. Микроструктура образца с покрытием при увеличении х 200 (а) и х1000 (б)
Рис. 3. РЭМ изображение светлого (а) и темного (б ) участков покрытия, х1500
Дальнейшее исследование этих участков методом сканирующей электронной микроскопии показало, что светлые участки покрытия (рис. 3, а) имеют более однородную и плотную структуру, по сравнению с темными (рис. 3, б) участками, с содержанием алюминия (7,03 %).
P max
ISSN 1607-6885 Hoei MamepiaMU i технологй в металургй та машинобудувант №1, 2015
21
Для исследования внутренней микроструктуры, а также характера границы «подложка-покрытие» был изготовлен поперечный шлиф образца, при исследовании которого было установлено, что покрытие (рис. 4) не имеет столбчатого строения, расслоений по толщине и отслоений по границе «подложка-покрытие».
Рис. 4. РЭМ- изображение поперечного шлифа образца с покрытием,х1200
Изучение структурно-фазового состояния поверхностного слоя образца выявило наличие в покрытии трех основных фаз: ТЫ, Т1АШ2 и А1К Фазы, образованные соединениями 2г и Мо, выявлены не были. Это может быть объяснено имеющимися ограничениями метода рентгеноструктурного анализа, ограничениями используемого для анализа оборудования и программного обеспечения или незначительным содержанием этих фаз в покрытии. Параметры фаз приведены в табл. 1.
Результаты элементного анализа покрытия представлены в табл. 2.
Таблица 1 - Параметры фаз покрытия
Фаза Межплоскостное расстояние Область когерентного рассеяния, нм
ТШ 4,2565 17
ТАШ2 4,2018 27
АШ 4,3238 15,5
Таблица 2 - Элементный состав покрытия
Участок покрытия Элемент Содержание элемента, %
Светлый А1 7,03
Т 87,74
Хг 1,34
Мо 3,90
Темный А1 0,87
Т 97,87
Хг 0,98
Мо 0,28
Из данных табл. 2 следует, что содержание элементов А1, 2г, Мо в темных участках покрытия не превышает сотых долей процента, поэтому можно предположить, что эти участки образованы в основном соединением ТШ. Светлые участки покрытия имеют более сложный состав и характеризуются присутствием небольшого количества молибдена (3,9 %) и повышенным, по сравнению с темными участками, содержанием алюминия (7,03 %).
Расчет картины дифракции (рис. 5) показал, что объемная доля фаз ТШ, Т1АШ2 и АШ в покрытии составляет 47,35, 50,45 и 2,20 % соответственно.
а?
6 и
0
1
200
150
£ юо
50
1. й Л
I |
10
20 30
40
50 60
70 80 2в
Рис. 5. Дифрактограмма покрытия
Профилограммы, снятые с поверхности образца при исследовании микрогеометрии покрытия, представлены на рис. 6.
Рис. 6. Профилограммы поверхности образца с покрытием в направлении А (а) и Б (б)
Из профилограмм видно, что характер распределения неровностей покрытия равномерный и не зависит от выбранного направления, максимальная глубина неровностей 2 мкм. Параметры шероховатости покрытия приведены в табл. 3.
Кривые нагрузки-разгрузки, отображающие процесс индентации образца с покрытием, приведены на рис. 7.
Таблица 3 - Результаты измерений параметров шероховатости покрытия
Направление Параметр Значение, мкм
А Ra 0,386
Rz 1,960
Б Ra 0,373
Rz 1,683
O.OOnm 200.0 400.0 «00.« SO».«
Глубина пчдёчгиронанин, НМ
а
Глубина индентирования, им
6
Рис. 7. Результаты наноиндентирования покрытия в темных (а) и светлых (б) участках
Выводы
1. Формируемое при осаждении из многокомпонентной плазмы состава Т1-Л1-2г-Мо-М вакуумное ион-но-плазменное покрытие имеет светлые и темные участки, отличающиеся как по элементному, так и по фазовому составу. Содержание фаз по результатам рентгеноструктурного анализа приблизительно одинаково и составляет 97,8 % объема покрытия, оставшиеся 2,2 % занимает фаза ЛШ. Однако проведенный элементный анализ позволяет предположить, что в покрытии
присутствуют фазы, образованные соединениями Zr и Мо, причем содержание этих фаз в светлых участках покрытия больше, чем в темных.
2. Твердость темных участков на 18 %, а модуль упругости на 23 % больше аналогичных показателей для светлых участков покрытия, что свидетельствует об их меньшей пластичности.
3. Шероховатость поверхности образца после нанесения покрытия соответствует 9-му классу чистоты (Яа от 0,32 до 0,63 мкм) по ГОСТ 2789-85. Снижение класса чистоты поверхности образца после нанесения покрытия связано с особенностями формирования вакуумного ионно-плазменного покрытия и присутствием капельной фазы в плазменном потоке.
Список литературы
1. Новые конструкционные металлические материалы, технологии их производства и обработки // Тезисы докладов ХХШ сессии научного совета. - К. : ИЭС им. Е. О. Патона, 2009. - 150 с.
2. Борисов Ю. С. Плазменные порошковые покрытия / Борисов Ю. С., Борисова А. Л. - К. : Техника, 1986. -222 с.
3. Белащенко В. Е. Влияние параметров процессов газотермического напыления на прочность покрытий / Белащенко В. Е., Заикинт В. Н. // Свароч. пр.-во. - 2008. -№ 10. - С. 31-33.
4. Сидоренко С. И. Материаловедческие основы инженерии поверхности / Сидоренко С. И., Пащенко В. Н., Кузнецов В. Д. - К. : Наук. думка, 2001. - 230 с.
5. Процессы плазменного нанесения покрытий: теория и практика / [Ильющенко А. Ф., Кундас С. П., Достанко А. П. и др.]. - Минск : Научный центр исследований политики и бизнеса «Арнита - Маркетинг, Менеджмент», 1999. - 544 с.
6. СИакег P.R., Bull S.J., Rickerby D.S. A review of the methods for the evalution of coating-substrate adhesion // Protective coatings. - 2013. - № 1-2. - P. 583-592.
7. Хасуй А. / Хасуй А., Моригаки О. - Наплавка и напыление : пер. с япон. - М. : Машиностроение, 1985. -240 с.
8. http://delta-grup.ru/bibliot/3k/5-6.htm
Одержано 24.04.2015
Пономаренко А.М., Губар С.Я., LL Фенько, Васильченко В.Ю. Дослдження морфолога, структури i фазового складу багатокомпонентного покриття складу Ti-Al-Zr-Mo
Розглядаеться можливкть пгдвищення несучо'1 здатност1 поверхнi лопаток компресора сучасного ГТДза рахунок застосування вакуумного iонно-плазмового покриття складного елементного складу. До^джуеться морфологiя i структура покриття, отриманого розпиленням катода багатокомпонентного складу. Визначаються механiчнi характеристики пропонованого покриття.
Ключовi слова: юнне модиф^вання, багатокомпонентний катод, вакуум, покриття, багатокомпонентний склад, розпилення, мжроструктура, тлiючий розряд.
Ponomarenko A., Gubar Ye., Fenko I., Vasilchenko V. Study of the morphology, structure and phase composition of a multicomponent coating was Ti-Al-Zr-Mo
The possibility of increasing the carrying capacity of the surface of the compressor blades of modern turbine engine through the use of vacuum ion-plasma coating of complex elemental composition is studied. We study the morphology and structure of the coating produced by cathode sputtering a multi-component composition. Mechanical characteristics of the proposed coating are determined.
Key words: ionic modification, multi-cathode, vacuum coating, multi-component composition, sputtering, microstructure, glow discharge.
ISSN 1607-6885 Hoei MamepiaMU i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2015
23
