CC BY
105
МАШИНОСТРОЕНИЕ • МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.79
А. Н. РАМАЗАНОВ, П.В.БЕГЛИКЧЕЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО КАТОДА СОСТАВА TI-AL-ZR-MO
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. Ионное модифицирование; многокомпонентный катод; покрытие
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 100-550оС. 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-имплантацион-ная 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 Ті-ЛІ-2г-Мо.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве оборудования для ионно-им-плантационного модифицирования с последующим нанесением вакуумного ионно-плазменного покрытия использовалась модер-
низированная установка ВУ-1БС, оснащенная аксиально-симметричным электродуго-вым испарителем.
Ионная очистка поверхности образца от загрязнений осуществлялась в тлеющем разряде при давлении Р = 5 х 10-2 Па и потенциале смещения UCM = 1 х 103 В. Затем в вакуумную камеру подавался азот до
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
Па. Напыление вели до достижения толщины покрытия 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 Ra с 0,63 до 0,03-0,05 мкм, при значительном сокращении трудоемкости подготовки к напылению [7].
Морфология поверхности образца с покрытием исследовалась на оптическом металлографическом микроскопе Olympus GX-71 и растровом электронном микроскопе Philips SEM 515.
Полуколичественный элементный анализ покрытия проводился на микроанализаторе ББАХ БСОЫ IV с пространственным разрешением 1,0 х 1,0 х 5,0 мкм.
3
Рис. 1. Эскиз образца из стали 20Х13
Микрогеометрия покрытия исследовалась на профилометре 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 278985.
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 нанотве-домера Nano Hardness Tester фирмы CSEM. Измерения нанотвердости 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 Ртах, разделенной на проецируемую площадь контакта после разгрузки:
Н =
Рп
Арс
(1)
Твердость по Виккерсу определялась максимальной нагрузкой Ртах, разделенной на площадь контакта после разгрузки:
Е>
jj _____ 1 max
” “ Аг * 9,81
(2)
Фазовый состав и структура покрытия исследовались методами рентгеноструктурного анализа на дифрактометре Shimadzu ХКБ-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 в Си Ка — излучении с постоянным углом входа .
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.
б
Рис. 2. Вид поверхности образца с покрытием при увеличении х 200 (а) и х 1000 (б)
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).
б
Рис. 3. РЭМ изображение светлого (а) и темного (б ) участков покрытия
Результаты полуколичественного элементного анализа покрытия представлены в табл. 1.
Таблица 1 Элементный состав покрытия
Участок покрытия Элемент Содержание элемента, %
Светлый А1 7,03
Ті 87,74
гг 1,34
Мо 3,90
Темный А1 0,87
Ті 97,87
гг 0,98
Мо 0,28
Из данных табл. 1 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 Т1№ 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%).
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».
Изучение структурно-фазового состояния поверхностного слоя образца выявило наличие в покрытии трех основных фаз: Т1К, Т1А1^2 и А1Й. 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. Расчет картины дифракции (рис. 5) показал, что объемная доля фаз Т1К, Т1А1^, АГЫ в покрытии составляет 47,35, 50,45 и 2,20% соответственно. Параметры фаз приведены в табл. 2.
Рис. 4. РЭМ изображение поперечного шлифа образца с покрытием
100
50
л 100
Н
к 50
и
0
10 20 30 40 50 60 70 20, °80
Рис. 5. Дифрактограмма покрытия
і А
і .
Т аблица2
Параметры фаз покрытия
Фаза Межплоскостное Область когерентного
расстояние рассеяния, нм
ТШ 4,2565 17
■ПАШа 4,2018 27
АШ 4,3238 15,5
Профилограммы, снятые с поверхности образца при исследовании микрогеометрии покрытия, представлены на рис. 6.
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.
Таблица3
Результаты измерений параметров шероховатости покрытия
Направление Параметр Значение, мкм
А 11а 0,386
Иг 1,960
Б 11а 0,373
Иг 1,683
1_, мм б
Рис. 6. Профилограммы поверхности образца с покрытием в направлении А (а) иБ(б)
Кривые нагрузки-разгрузки, отображающие процесс индентации образца с покрытием, приведены на рис. 7.
Глубина индентирования, нм а
Глубина индентирования, нм б
Рис. 7. Результаты наноиндентирования покрытия в темных (а) и светлых (б ) участках
ВЫВОДЫ
Формируемое при осаждении из многокомпонентной плазмы состава Т1-А1-2г-Мо-Ы вакуумное ионно-плазменное покрытие имеет светлые и темные участки, отличающиеся как по элементному, так и по фазовому составу. Светлые участки покрытия образованы в основном фазой Т1А1^, а темные — Т1№ Содержание фаз Т1Ы и Т1АШг по результатам рентгеноструктурного анализа приблизительно одинаково и составляет 97,8% объема покрытия, оставшиеся 2,2% занимает фаза А1Ы. Однако проведенный полуколичествен-ный элементный анализ позволяет предположить, что в покрытии присутствуют фазы, образованные соединениями 2г и Мо, причем содержание этих фаз в светлых участках покрытия больше, чем в темных.
Твердость темных участков на 18%, а модуль упругости на 23% больше аналогичных показателей для светлых участков покрытия, что свидетельствует об их меньшей пластичности.
Шероховатость поверхности образца после нанесения покрытия соответствует 9-му классу чистоты (Яа от 0,32 до 0,63 мкм) по ГОСТ 2789-85. Значение параметров микрогеометрии покрытия не зависит от выбранного направления измерения. 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. Тарасенко, Ю. П. Физико-механические и коррозионные свойства ионно-плазменных покрытий нитрида титана, полученных при разных парциальных давлениях реакционного газа / Ю. П. Тарасенко, И. Н. Царева [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 4. С. 42-45.
2. Крысина, О. В. Электродуговое плазменно-ассистированное формирование нанокристал-лических покрытий типа Т1Н / О. В. Крысина, К. А. Кошкин // Физика и химия наноматериалов : сб. матер. Междунар. шк.-конф. молодых ученых. Томск : Томск. гос. ун-т. 2005. С.637-639.
3. Каменева, А. Л. Использование тонкопленочных покрытий на основе 2гН Т^г-Н Т1-2г-ОН и ТьВ-БЬК для упрочнения инструмента из Р6М5, применяемого при обработке нержавеющих сталей / А. Л. Каменева, Е. М. Трофимов [и др.] // Перспективные материалы. 2006. № 6. С. 80-86.
4. Григорьев, С. Н. Модификация поверхности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем вакуумно-плазменной обработки / С. Н. Григорьев, М. А. Волосова [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2005. №5. С. 11-18.
5. Коротаев, А. Д. Структурно-фазовое состояние нанокристаллических покрытий нитридов металлов / А. Д. Коротаев, А. Н. Тюменцев // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 6. С. 32-40.
6. Ивановский, А. Л. Электронное строение тугоплавких карбидов и нитридов переходных металлов / А. Л. Ивановский, В. П. Жуков, Б. А. Губанов. М.: Наука, 1990. 224 с.
7. Таминдаров, Д. Р. Особенности способа электролитно-плазменной подготовки поверхности перед напылением / Д. Р. Таминдаров, А. В. Рева, А. Н. Рамазанов // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки : матер. 8-й Междунар. практ. конф. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. С. 56-60.
ОБ АВТОРАХ
Рамазанов Альберт Нуруллаевич, асп. каф. технол. машиностроения. Дипл. инж.-мех. по маш. и технол. вы-сокоэфф. процессов обработки (УГАТУ, 2004). Готовит дис. в обл. технол. и обо-руд. вакуумной ионно-плазменной обр-ки материалов.
Бегликчеев Павел Васильевич, асп. той же каф. Дипл. инж.-мех. по реновации средств матер. пр-ва (УГАТУ, 2003). Готовит дис. в обл. технол. и оборуд. вакуумной ионно-плазменной обр-ки материалов.
