Дисертації (ВТМПМ)

Постійне посилання зібрання

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/37088

Переглянути

Перегляд Дисертації (ВТМПМ) за Ключові слова "borides"

Зараз показуємо 1 - 1 з 1
  • Ескіз
    ДокументВідкритий доступ
    Формування структури та властивостей захисних покриттів із суміші порошків «високоентропійний сплав – тугоплавка сполука» холодним газодинамічним напиленням
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Наконечний, Сергій Олегович; Юркова, Олександра Іванівна
    Наконечний С. О. Формування структури та властивостей захисних покриттів із суміші порошків «високоентропійний сплав – тугоплавка сполука» холодним газодинамічним напиленням. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 132 Матеріалознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена встановленню закономірностей формування структури, фазового складу та комплексу властивостей захисних композиційних покриттів на основі високоентропійного сплаву з додаванням тугоплавких сполук, отриманих методом холодного газодинамічного напилення, для їх потенційного використання в умовах окисних і корозійних агресивних середовищ, підвищених температур, та зношування. Актуальною світовою проблемою є підвищення експлуатаційних властивостей та довговічності деталей та виробів з традиційних матеріалів, металів та сплавів, що вимагає великої кількості ресурсів та суттєво обмежено властивостями таких матеріалів. Тому напилення покриттів з новітніх матеріалів є одним з найбільш перспективних шляхів покращення властивостей деталей та виробів з традиційних матеріалів, а також збільшення їх довговічності. Серед таких новітніх матеріалів особлива увага приділяється високоентропійним сплавам (ВЕС) та композиційним матеріалам на їх основі з додаванням тугоплавких сполук (ТС), що володіють комплексом високих властивостей (твердість, міцність, пластичність, термічна стабільність, стійкість до корозії, окиснення, зносу і т. д.) в різних умовах експлуатації (температура, агресивне середовище, знос тощо). Однак існує досить обмежена інформація щодо напилення композиційних матеріалів на основі ВЕС з додаванням ТС, особливо щодо використання методу холодного газодинамічного напилення (ХГН). Тому в даній роботі було поставлено та вирішено ряд наукових задач щодо вибору складу ВЕС і ТС, синтезу ВЕС та їх змішування з ТС, встановлення режимів ХГН покриттів з ВЕС та їх сумішей з ТС, а також визначення термічної стабільності структури, фазового складу, механічних властивостей покриттів та їх стійкості в умовах корозії, високотемпературного окиснення та зносу. У роботі наведено літературний огляд останніх досліджень за темою дисертаційної роботи. Представлено аналіз основних особливостей та властивостей ВЕС, а також композиційних матеріалів на їхній основі. Вказано основні підходи та параметри, для розробки ВЕС з заданим фазовим складом, структурою та властивостями. Наведено відомості щодо складу та властивостей композиційних матеріалів на основі ВЕС з різними ТС. Широко розглянуто та проаналізовано літературні дані щодо різних типів покриттів з ВЕС та композитів на їх основі, а також переваги та недоліки різних методів отримання. У другому розділі дисертаційної роботи наведено інформацію щодо складу ВЕС, обґрунтування підбору вихідних металевих компонентів для отримання ВЕС та ТС для армування. Представлено методику ХГН покриттів та всі відповідні методики щодо дослідження структури, фазового складу, механічних властивостей та термостабільності порошкових матеріалів і композиційних покриттів, а також стійкості покриттів до корозії, окиснення та зносу. Зазначено всі технологічні параметри та обладнання, що використовувалось для отримання порошків, їх напилення та дослідження. У третьому розділі дисертаційної роботи представлено результати дослідження структури та фазового складу вихідних порошків ВЕС та показано, що AlNiCoFeCr ВЕС має композиційну структуру на основі ОЦК твердого розчину з включеннями σ–фази та TiC, а AlNiCoFeCr ВЕС складається з ОЦК твердого розчину та включень ГЦК твердого розчину. AlNiCoFeCr ВЕС обрано, як матричний, для отримання композиційних сумішей ВЕС–ТС для напилення покриттів. Також доведено, що для отримання високої однорідності розподілу компонентів за об'ємом порошкових композиційних сумішей ВЕС–ТС достатньо 2 год змішування в планетарному млині. В четвертому розділі дисертаційної роботи досліджено вплив технологічних параметрів ХГН (тиск та температура потоку стисненого повітря) на характеристики (товщина, відносна щільність, структура, фазовий склад, та механічні властивості) покриттів з порошків ВЕС та їх сумішей з ТС. Встановлено, що за різних параметрів тиску (від 0,7 МПа до 0,9 МПа) та температури (від 200 °С до 550 °С) потоку стисненого повітря фазовий склад та структура вихідних порошків зберігається, в той час як підвищення тиску та/або температури стисненого повітря в декілька разів підвищує товщину покриттів, а також приводить до подрібнення їх структури. Додавання тугоплавких сполук до складу AlNiCoFeCr ВЕС суттєво збільшує кінетичну енергію частинок та в десятки разів підвищує товщину композиційних AlNiCoFeCr–TiB2/(В4С-TiB2) покриттів (1110 мкм та 1890 мкм, відповідно, проти 450 мкм та 110 мкм для AlNiCoFeCrTi та AlNiCoFeCr покриттів), а додавання ТС до більш твердого AlNiCoFeCrТі ВЕС призводить до руйнування верхніх шарів покриття внаслідок підвищення швидкості удару частинок та низької пластичності ВЕС. Методами мікро- та макроіндентування було встановлено, що отримані композиційні покриття мають відмінну комбінацію мікротвердості та в'язкості руйнування (10,30 ГПа та 5,21 МПа∙м1⁄2 – AlNiCoFeCrТі покриття, 6,91 ГПа та 9,80 МПа∙м1⁄2 – AlNiCoFeCr–TiB2 покриття, 11,18 ГПа та 9,42 МПа∙м1⁄2 – AlNiCoFeCr–(В4С-TiB2) покриття), у порівнянні з композиційними покриттями на основі чистих металів і їх сплавів та інших ВЕС, отриманих високотемпературними методами напилення, завдяки збереженню вихідної структури та фазового складу порошків внаслідок низьких температур процесу ХГН, а також деформаційного зміцнення внаслідок інтенсивної пластичної деформації та подрібнення структури під час ХГН. Для забезпечення багатофункціонального захисту деталей та виробів з традиційних матеріалів отримані покриття також мають володіти, крім високих механічних характеристик, високою стійкістю в умовах нагрівання, корозії, високотемпературного окиснення та зносу. За допомогою комплексу методів (диференційна сканувальна калориметрія порошків, високотемпературні рентгенівські дослідження та відпал покриттів) було досліджено термічну стабільність структури, фазового складу та механічних властивостей композиційних AlNiСоFeCr–TiB2/(B4C-TiB2) покриттів та встановлено, що структура AlNiСоFeCr ВЕС на основі двох ОЦК та ГЦК твердих розчинів зберігається за температур нагрівання до 1000 °C, але відбувається перерозподіл елементів (фазове перетворення) між ними. За температур від 600 °C до 870 °C збільшується вміст ГЦК твердого розчину, а при температурах вище 870 °C збільшується вміст ОЦК твердого розчину. При додаванні TiB2 до AlNiСоFeCr ВЕС температурні межі фазових перетворень не змінюються, а додавання армованої композитної кераміки (B4C-TiB2) до AlNiСоFeCr ВЕС приводить до стабілізації ОЦК структури до температур 800 °С та формування включень боридів типу МеВ2 (Ме = Cr, Со, Fe) внаслідок інтенсифікації зернограничної дифузії на межі між частинками. Лише за температур 900 °С та 1000 °С в AlNiСоFeCr–(B4C-TiB2) покриттях відбувається перерозподіл елементів між ОЦК та ГЦК твердими розчинами з незначним збільшенням вмісту останнього в покритті. Крім цього, в процесі нагрівання покриттів також відбувається зменшення залишкових напружень та збільшення розмірів ОКР і зерен/субзерен фазових складових внаслідок високих температур. Мікротвердість AlNiCoFeCr–TiB2 покриттів зменшується від 6,91 ГПа до 5,02 ГПа за температури відпалу 800 °С внаслідок збільшення вмісту ГЦК твердого розчину, а при температурі 1000 °С зі збільшенням вмісту ОЦК твердого розчину підвищується до значень, вищих ніж у невідпалених покриттів (7,42 ГПа проти 6,91 ГПа). Мікротвердість AlNiCoFeCr–(B4C-TiB2) покриттів зменшується з 11,18 ГПа до 9,75 ГПа за температури відпалу 800 °С внаслідок збіднення ОЦК твердого розчину на Al та Cr, а за температури відпалу 1000 °С підвищується до 12,59 ГПа внаслідок формування більш міцних контактів в процесі взаємодії між частинками та наявності частинок боридної фази типу МеВ2. В’язкість руйнування AlNiCoFeCr–TiB2/(B4C-TiB2) покриттів за температури відпалу 1000 °С підвищується в 1,85 разів (до 18,16 МПа·м1/2) та в 1,4 рази (до 13,16 МПа·м1/2), відповідно, через зменшення залишкових напружень та формування більш міцних контактів між частинками. Зносостійкість AlNiСоFeCr–TiB2 покриттів зменшується за температур відпалу 600 °С та 800 °С внаслідок збільшення вмісту м'якої ГЦК фази, але збільшується за температури відпалу 1000 °С через збільшення вмісту ОЦК твердого розчину та міцності контактів між частинками. Зносостійкість AlNiСоFeCr–(B4C-TiB2) покриттів збільшується за обидвох температур відпалу 800 °С та 1000 °С внаслідок високої твердості покриттів, підвищення міцності контактів між частинками та формування боридів типу МеВ2. Електрокорозійні випробування у 3,5 % розчині NaCl показали, що AlNiСоFeCr–TiB2 покриття мають відмінну, у порівнянні з нержавіючою сталлю, корозійну стійкість внаслідок формування пасивувальної оксидної плівки Cr2О3 на поверхні покриття, що гальмує процес корозії. AlNiСоFeCr–(B4C-TiB2) покриття мають нижчу, у порівнянні з нержавіючою сталлю, корозійну стійкість у 3,5 % розчині NaCl внаслідок локальної корозії частинок армованого керамічного композиту (B4C-TiB2) на поверхні покриття, в умовах проведеного експерименту. Проведено випробування покриттів в умовах високотемпературного окиснення протягом 100 год за температури 900 °С, на основі результатів яких встановлено, що, у порівнянні з підкладкою з нержавіючої сталі, вихідні композиційні AlNiСоFeCr–TiB2/(B4C-TiB2) покриття без відпалу мають нижчу стійкість до окиснення внаслідок фазових перетворень між ОЦК та ГЦК твердими розчинами AlNiСоFeCr ВЕС за температури окиснення (900 °С) і високих термічних та залишкових напружень, що активує процес взаємодії матеріалу покриття з киснем на початкових стадіях окиснення. AlNiCoFeCrTi покриття мають відмінну стійкість до окиснення без будь-якої термічної обробки, що обумовлено проходженням фазових перетворень та перерозподілу елементів під час гомогенізуючого відпалу вихідного порошку перед його розмелом для ХГН. Після відпалу AlNiСоFeCr–TiB2/(B4C-TiB2) покриттів їх стійкість до окиснення суттєво підвищується та перевищує стійкість до окиснення нержавіючої сталі (приріст маси 0,05 мг/мм2 та 0,07 мг/мм2 , відповідно, проти 0,09 мг/мм2 для сталі). В покриттях, відпалених за температури 800 °C, відбувається збільшення вмісту ОЦК твердого розчину, що підвищує їх мікротвердість до 7,52 ГПа та 12,16 ГПа, але зменшує в’язкість руйнування до 11,56 МПа·м1/2 та 8,91 МПа·м1/2 , відповідно. Після окиснення AlNiСоFeCr– TiB2/(B4C-TiB2) покриттів, відпалених за температури 1000 °C, відбувається збільшення вмісту ГЦК твердого розчину, що призводить до зменшення їх мікротвердості до 5,88 ГПа та 9,81 ГПа, відповідно, в той час як в’язкість руйнування для AlNiCoFeCr–TiB2 покриттів незначно зменшується і становить 11,56 МПа·м1/2, а для AlNiCoFeCr–(B4C-TiB2) покриттів в’язкість руйнування збільшується і становить 14,65 МПа·м1/2. Однак зміна механічних характеристик покриттів після окиснення не перевищує 15 %, що свідчить про їх високу термічну стабільність та перспективність для подальшого використання. Таким чином, було встановлено, що відпал композиційних AlNiСоFeCr–TiB2/(B4C-TiB2) покриттів за температур 1000 °С суттєво підвищує їх механічні характеристики, зносостійкість та стійкість в умовах високотемпературного окиснення, а отримані покриття можуть бути використані для багатофункціонального захисту деталей та виробів з традиційних матеріалів, металів та сплавів.