CC BY
24УДК 622.5;621.9
DOI: 10.30987/1999-8775-2020-12-11-18
О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова, П.Н. Хопин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С КВАЗИКРИСТАЛЛАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ МЕТОДОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
Предложен метод исследования прочности покрытий по штифтовому и клеевому методу из композиционных материалов на основе карбонит-рида титана.
Ключевые слова: квазикристаллы, покрытия, прочность сцепления.
O.B. Silchenko, M.V. Siluyanov, P.N. Khopin
STRENGTH PROPERTIES INVESTIGATION OF COMPOSITE COATINGS WITH QUASI-CRYSTALS OBTAINED THROUGH METHODS OF GAS DYNAMIC SPUTTERING
The work purpose is to investigate strength properties of composite coatings with quasi-crystals obtained through the method of gas dynamic sputtering.
The object of development: quasi-crystals based on titanium carbonitride clad with nickel. In the course of the work there is offered a method for investigations of coating strength based on a pin and adhesive method with composites based on titanium carbonitride.
The novelty of this investigation consists in obtaining new materials and investigations of their physical-mechanical properties.
Composite coating on the basis of titanium car-bonitride has shown high separation properties. The destruction took place in an intermediate layer between VN20 and KNTP35.
During 10 mm bending there is a fine even mesh. At the impact load made there were not observed chips and separations that allow using coating data in heavy-loaded parts.
Key words: quasi-crystals, coatings, cohesion strength.
Введение
В трибологии и материаловедении антифрикционных композитов можно выделить ряд проблем, отражающих современные тенденции в этой области знаний, решение которых необходимо для обеспечения научного и технического прогресса. Наибольшие усилия разработчиков сосредоточены на создании полимерных антифрикционных материалов, предназначенных для работы в режиме гидродинамического трения. Подшипники качения и скольжения с антифрикционными покрытиями являются наиболее эффективными конструкциями, позволяющими существенно повысить мощность и надежность работы фрикционных узлов машин.
Основными техническими преимуществами при работе в среде масла антифрикционных материалов на основе ме-таллополимеров, керамополимеров и ком-
позиционных материалов является меньшая разность между статическим и динамическим коэффициентами трения, что существенно улучшает динамику переходных процессов в машинах, а также бесшумность работы и малый удельный вес.
Энергия торможения высоко нагруженных систем выделяется в зоне трения и преобразуется в тепловую энергию и энергию разрушения поверхности. В связи с этим антифрикционные материалы должны удовлетворять следующим требованием: иметь высокий коэффициент теплопроводности, низкий коэффициент трения, стабильный до температуры 450-500 °С, низкие параметры по износу, высокие упругие и прочностные характеристики.
Для эксплуатации узлов трения при температурах до 500 °С в полной мере удовлетворяют керамические и компози-
ционные материалы на основе карбида кремния и карбонитрида титана, исследования по определению прочностных свойств которых проведены в данной работе.
В ходе работы были разработаны составы покрытий, армированных квазикри-
Разработка состава и режимов нанесения ского напыления
Нанесение покрытия производилось с использованием метода холодного газодинамического напыления. Отработка режимов нанесения составов порошковых материалов производилась на плоских образцах размерами 90х20х2 мм. Рабочая поверхность образцов подвергалась перед напылением шлифованию, затем струйно-абразивной обработке. Нанесение покрытия проводилось на установке «Димет-403», использующей в качестве рабочего тела воздух. Скорость газопорошковой смеси на срезе сопла находится в пределах 650-850 м/с. Температура торможения сверхзвуковой струи варьировалась в пределах от 150 до 350 °С.
Покрытие наносилось в защитной камере использовании системы вентиляции с пылеочисткой. Давление воздуха в пневмосистеме устанавливалось во всех случаях равным 0,8 МПа. Благодаря невысокой температуре напыления квазикристаллическая фаза химически не взаимодействует с подложкой, а большая скорость потока обеспечивает наклепывание пластичных частиц и твёрдых частиц квазикристаллов на подложку, образуя прочные связи между компонентами покрытия.
Для приготовления порошковых смесей использовались порошки квазикристаллов карбонитрида титана и никеля
сталлами, определен оптимальный состав и режимы нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления.
По оптимальному режиму изготовлены образцы и исследованы их механические и трибологические свойства.
покрытия методом холодного газодинамиче-
35 %, с подслоем ВН20. Порошок квазикристаллов подвергался размолу в планетарной мельнице стеклянными шариками диаметром 2 мм в течение 30 мин, при соотношении мелящих тел (шариков) и порошка 10:1 по весу. Был получен порошок с дисперсностью менее 3 мкм.
Перемешивание порошков проводилось в турбулентном смесителе в течение часа.
Были определены концентрации исходных элементов в зависимости от объёмной доли квазикристаллов.
Опробовано несколько составов порошковых смесей с различным содержанием квазикристаллов, для напыления на установке Димет-403 определены оптимальные режимы напыления [1, 2].
Цель работы - исследование прочностных свойств покрытий из композиционных материалов с квазикристаллами, полученных методом газодинамического напыления.
Объект разработки - квазикристаллы на основе карбонитрида титана, плакированного никелем. В ходе работы предложен метод исследования прочности покрытий по штифтовому и клеевому методу из композиционных материалов на основе карбонитрида титана.
Механические (прочностные) свойства покрытий
Прочность сцепления - одна из главных характеристик покрытия. Прочность сцепления определяют по равномерному отрыву (клеевой и штифтовой методы), по углу загиба образца с покрытием на оправ-
ке определенного радиуса, по срезу кругового слоя покрытия с образца при осевой нагрузке, по царапанию и др. Основные методы - это равномерный отрыв по клеевой и штифтовой методике.
Определение прочности сцепления покрытия по штифтовому методу
Сущность метода заключается в определении величины разрушающей
нагрузки при вытягивании штифта усилием, направленным по нормали к торцовой
плоскости штифта, на которую нанесено покрытие [3, 4, 5, 6, 7].
Величина прочности сцепления определяется как отношение разрушающей нагрузки к площади торцовой поверхности штифта [8, 9, 10, 11].
Размеры образца и захвата (рис. 1, 2, 3) позволяют использовать метод для испытаний при комнатной и высоких температурах на стандартном оборудовании (рис. 4).
Рис. 1. Машина разрывная МР 051
Рис. 2. Штифтовой образец для определения прочности сцепления покрытия с подложкой: 1 - втулка, 2 - штифт, 3 - винт стопорный, А - поверхность напыления
Рис. 3. Фотография штифтового образца в сборе, перед испытанием
Рис. 4. Фотография штифтового образца подетально перед нанесением покрытия для испытания слева-направо: втулка, штифт, гайка под захват
Образец состоит из втулки, штифта, гайки (рис. 3) под захват (рис. 4). Коническая поверхность сопряжения деталей по диаметру осуществляется по скользящей
посадке. Детали подбираются методом селективной сборки с тем, чтобы гарантированный зазор был минимальным.
Рис. 5. Захват
Сборка образца и захвата (рис. 5) производится непосредственно перед испытанием. Образцы селективной сборки закрепляются в приспособлении (рис. 6). Приспособление устанавливается на магнитный стол плоскошлифовального стан-
ка. Проводится шлифование рабочей поверхности образцов, после чего рабочая поверхность подвергается пескоструйной обработке (в сборке с приспособлением), и на нее наносятся покрытия (в приспособлении).
Рис. 6. Приспособление для напыления покрытия на образцы
Не допускается обработка, связанная с диффузионными процессами. Образцы с особой осторожностью освобождаются от приспособления и устанавливаются в за-
хват (рис. 7) для проведения испытания на отрыв. Образцы имеют одну толщину и одинаковое покрытие (рис. 8).
Рис. 7. Сборка захват-образец с покрытием в разрывной машине
остач км с.'юя
Рис. 8. Характерный вид торца конического штифта образца после испытания покрытий
из порошков на основе карбонитрида титана на прочность сцепления с подложкой
Таблица
Данные по испытанию образцов на отрыв
№ образца Сотрыва кг/мм2 ИУ5И5 Характер отрыва
1 5,5 502 Когезионный
2 7,32 466 Когезионный
3 9,25 516 Когезионный
4 8,15 502 Когезионный
5 13,5 532 Когезионный
6 11,9 516 Когезионный
7 12,1 558 Когезионный
После проведения испытаний определяется группа образцов одной толщины,
и для нее рассчитывается прочность сцепления как среднее арифметическое.
Композиционное покрытие показало высокие характеристики на отрыв. Разру-
шение происходило по промежуточному слою между ВН20 и КНТП35.
Экспресс метод определения прочности сцепления покрытия по углу загиба образца с покрытием на оправке определенного радиуса
Образцы изготовлены в виде стальных пластин размером 70*30 мм, толщиной 1,5 мм с покрытием порошка карбо-
нитрида титана, плакированным никелем 35 %, с подслоем ВН20 (рис. 9).
Рис. 9. Стальная пластина с покрытием порошка
карбонитрида титана, плакированным никелем 35 %, с подслоем ВН20
Образец зажимается в тиски со стержнем-правкой диаметром 10 мм (рис. 10).
Рис. 10. Стальная пластина с покрытием, зажатая в тисках с оправкой диаметром 10 мм
При помощи специального приспособления, загибаем пластину на 90 градусов (рис. 11).
Рис. 11. Стальные пластины с покрытием, изогнутые на прямой угол
При изгибе на диаметр 10 мм сетка мелкая, равномерная. Покрытие держится
хорошо. При приложении ударной нагрузки, сколов и отслоений не наблюдается.
Выводы
1. Композиционное покрытие на основе карбонитрида титана показало высокие характеристики на отрыв. Разрушение происходило по промежуточному слою между ВН20 и КНТП35.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. При изгибе на диаметре 10 мм сетка мелкая, равномерная. При приложенной ударной нагрузке сколов и отслоений не наблюдается, что позволяет использовать данные покрытия в высоконагруженных деталях.
1. Низовцев, В.Е. Некоторые оценки напряженно-деформированного состояния керамических композиционных материалов с учетом технологических пор / В.Е. Низовцев, О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова [и др.] // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2018. - № 5. - С. 52-63.
2. Сильченко, О.Б. О перспективах применения наноструктурных гетерофазных полифункциональных композиционных материалов в авиадвигателестроении / О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова, В.Е. Низовцев, Д.А. Климов, А.А. Корнилов // Вопросы материаловедения.- 2018. - №1. - С. 50-57.
3. Захаров, Б.М. О прочности сцепления покрытий, наносимых методом плазменного напыления / Б.М. Захаров, М.Г. Трофимов, Л.И. Гусева [и др.] // Порошковая металлургия. -1970. - №11. - С. 71-76.
4. Гинзбург, Е.Г. Формирование контактной зоны покрытие подложка при газотермическом напылении / Е.Г. Гинзбург, О.С. Кобяков, В.А. Розанцев // Порошковая металлургия. - 1986. -№10. - С. 47-50.
5. Морозов, В.И. Технология напыления детонационных покрытий на основе оксида циркония, их свойства и применение / В.И. Морозов, Л.Т. Гордеева [и др.] // Тезисы докл. 10 Всесоюзного совещания «Теория и практика газотермического нанесения покрытий. - Дмитров, 1985. -С. 37-39.
6. Харламов, Ю.А. Классификация видов взаимодействия частиц порошка с подложкой при
нанесении покрытий/ Ю.А. Харламов // Порошковая металлургия. - 1988. - №1. - С. 18-22.
7. Федоренк, В.К. Влияние структурного фактора порошковых материалов на прочностные и пластические свойства детонационных покрытий типа ВК / В.К. Федоренко, Р.К. Иващенко, В.Х. Кадыров [и др.] // Порошковая металлургия. -1991. - №11. - С. 24-30.
8. Балдаев, Л.Х. Технологии детонационного напыления в городском и жилищно-коммунальном хозяйстве. Инновационные процессы в регионах России / Л.Х. Балдаев, М.Н. Буткевич, Б.Г. Хамицев: материалы Всерос. науч,-практ. конф. - Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2005. - С. 119-129.
9. Абузин, Ю.А. Исследование особенностей квазикристаллов при создании материалов для космоса, авиации, моторостроения и других отраслей народного хозяйства / Ю.А. Абузин, А.С. Юдин: сб. докл. 1 Всерос. совещания по квазикристаллам. - ФГУП «ВИАМ», 2003. - С 112119.
10. Рыбин, А.С. Изучение возможности практического использования квазикристаллов в качестве функциональных покрыти / А.С. Рыбин, И.В. Улин, Б.Ф. Фармаковский [и др.]: сб. докл. 1 Всерос. совещания по квазикристаллам. -ФГУП ЦНИИКМ «Прометей, 2003. - С. 98-107.
11. ОСТ 1.90371.87. Покрытия газотермические. Методы испытания физических свойств // Определение плотности и пористости. - М.: ВИАМ, 1987.
1. Nizovtsev, V.E. Some assessments of stress-strain state in ceramic composites taking into account technological pores / V.E. Nizovtsev, O.B. Silchenko, M.V. Siluyanov [et al.]. // Bulletin of Bryansk State Technical University. - 2018. - No.5. - pp. 52-63.
2. Silchenko, O.B. On outlooks of poly-functional heterophase composite use in aircraft engine industry / O.B. Silchenko, M.V. Siluyanov, V.E. Nizovtsev, D.A. Klimov, A.A. Kornilov // Matters of Material Science. - 2018. - No.1. - pp. 50-57.
3. Zakharov, B.M. On adhesion strength of coatings applied by method of plasma sputtering / B.M. Zakharov, M.G. Trofimov, L.I. Guseva [et al.]. // Powder Metallurgy. - 1970. - No.11. - pp. 71-76.
4. Ginzburg, E.G. Formation of "coating-substrate" contact area at gas-thermal sputtering / E.G. Ginzburg, O.S. Kobyakov, V.A. Rozantsev // Powder Metallurgy. - 1986. - No.10. - pp. 47-50.
5. Morozov, V.I. Technology for detonation coatings sputtering based on zirconium oxide, their properties and use / V.I. Morozov, L.T. Gordeeva [et al.] // Proceedings of the X-th All-Union Meeting -"Theory and Practice of Gas-Thermal Application of Coatings". - Dmitrov, 1985. - pp. 37-39.
6. Kharlamov, Yu.A. Interaction classification of powder particles with substrate at coating applica-
tion/ Yu.A. Kharlamov // Powder Metallurgy. -1988. - No.1. - pp. 18-22.
7. Fedorenko, V.K. Structural factor impact of powder materials upon strength and plastic properties of VK detonation coatings / V.K. Fedorenko, R.K. Ivashchenko, V.Kh. Kadyrov [et al.] // Powder Metallurgy. - 1991. - No.11. - pp. 24-30.
8. Baldaev, L.Kh. Detonation sputtering technologies in housing and communal services. Innovation Processes in regions of Russia / L.Kh. Baldaev, M.N. Butkevich, B.G. Khamitsev: Proceedings of the All-Russian Scientif.-Pract. Conf. - Volgograd: Vol-gaSU Publishers, 2005. - pp. 119-129.
9. Abuzin, Yu.A. Quasi-crystal peculiarities investigation at material development for space, aircraft, engine industry and other branches of national economy / Yu.A. Abuzin, A.S. Yudin: Proceedings of the I-st All-Russian Meeting on Quasi-Crystals. -FSIP "VIAM", 2003. - pp. 112-119.
10. Rybin, A.S. Exploring possibility of quasi-crystal practical use as functional coating / A.S. Rybin, I.V. Ulin, B.F. Farmakovsky [et al.]: Proceedings of the I-st All-Russian Meeting on Quasi Crystals. -FSUP CRIKM "Prometheus", 2003. - pp. 98-107.
11. OST 1.90371.87 Gas-thermal coatings. Methods for physical properties tests // Density and Porosity Definition. - M.: VIAM, 1987.
Ссылка цитирования:
Сильченко, О.Б. Исследование прочностных свойств покрытий из композиционных материалов с квазикристаллами, полученными методом газодинамического напыления / О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова, П.Н. Хопин // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2020. - №12. - С. 11-18. DOI: 10.30987/1999-8775-2020-12-11-18.
Статья поступила в редакцию 20.05.20. Рецензент: д.т. н., профессор Института материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения РАН
Химухин С.Н.,
член редсовета журнала «Вестник БГТУ». Статья принята к публикации 30.11.20.
Сведения об авторах:
Сильченко Ольга Борисовна, д.т.н., профессор, Московский авиационный институт, е-mail: [email protected], тел. 8 926 181 07 88. Силуянова Марина Владимировна, д.т.н., профессор, Московский авиационный институт, е-mail: dс[email protected], тел. 8 916 612 83 54.
Хопин Пётр Николаевич, д.т.н., доцент, Московский авиационный институт, е-mail: [email protected], тел. 8 909 935 50 60.
Silchenko Olga Borisovna, Dr. Sc. Tech., Prof., Moscow Aircraft Institute, phone: 8 926 181 07 88, email: [email protected],
Siluyanova Marina Vladimirovna, Dr. Sc. Tech., Prof., Moscow Aircraft Institute, phone: 8 916 612 83 54, e-mail: [email protected],
Khopin Petr Nikolaevich, Dr. Sc. Tech., Assistant Prof., Moscow Aircraft Institute, phone: 8 909 935 50 60, e-mail: [email protected].
