Механічні та корозійні властивості композиційних покриттів, синтезованих ультразвуковою ударною обробкою сплавів на основі Ti, Cu, Al
Вантажиться...
Дата
2023
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Могилко В.В. Механічні та корозійні властивості композиційних покриттів,
синтезованих ультразвуковою ударною обробкою сплавів на основі Ti, Cu, Al. –
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за
спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). –
Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського", Київ, 2023.
Дисертація присвячується вирішенню актуальної науково-технічної задачі –
покращенню механічних та корозійних властивостей поверхні сплавів на основі
кольорових металів (Ti, Cu і Al) шляхом ультразвукового ударного синтезу
високоміцних композиційних покриттів.
Дисертаційна робота складається із 5 розділів, які стосуються: літературних
даних щодо впливу методів інтенсивної деформації та модифікації поверхні на
структурно-фазові перетворення і зміну властивостей кольорових сплавів
(Розділ 1); опису об’єктів і методів дослідження (Розділ 2); впливу ультразвукової
ударної обробки (УЗУО) з дрібнодисперсними порошками a-Si3N4, b-Si3N4, SiC та
Al2O3 та термічної обробки (ТО) на структуру, фазовий склад і властивості поверхні
титанового сплаву ВТ6 (Розділ 3) та латуні ЛС 59-1 (Розділ 4); змін структурнофазового стану та властивостей поверхні алюмінійового сплаву АМГ6 після
електроіскрового легування (ЕІЛ) титаном з подальшою УЗУО (Розділ 5).
УЗУО з порошками проведено на повітрі за квазі-гідростатичною схемою
ударного навантаження задля суттєвого підвищення механічної енергії та
формування деформаційних композитів шляхом механічного легування
подрібненими армувальними частинками поверхневих шарів сплавів; в цьому
випадку додатково застосовано високотемпературний відпал на повітрі для
інтенсифікації окисних процесів та ущільнення синтезованих покриттів.
Використано також підхід, який передбачає ЕІЛ титаном на повітрі задля синтезу
оксидних та інтерметалідних сполук з подальшою УЗУО за контактно-зсувною
схемою ударного навантаження, з метою низькотемпературного механічного
наноструктурування сформованого покриття. При цьому дотримувались наступні
режими обробки:
- для УЗУО: частота ультразвукового генератора – 21 кГц, потужність –
0,6 кВт, тривалість обробки – 30–300 с, швидкість обертання ударної
головки – 10 об/с, амплітуда коливань торця концентратору напружень –
15 мкм–25 мкм, кількість ударників – 1 або 7;
- для ЕІЛ: тривалість, енергія та частота проходження електричних імпульсів
близько 200 мкс, 1 Дж та 50 3 Гц, відповідно;
- для ТО: повітряне середовище, температура відпалу – 550 та 650 25°С,
тривалість – 5 годин, а за умов циклічного відпалу – 50 годин.
Застосовано комплекс експериментальних методів дослідження структури та
фазового складу синтезованих покриттів (рентгенофазовий аналіз, електронна
мікроскопія), хімічного розподілу компонентів (мікро-рентгеноспектральний
аналіз), механічних та корозійних властивостей (випробування на зношування,
склерометрія, мікро- і наноіндентування, гравіметрія, потенціостатичний метод).
Використання високоміцних дисперсних порошків Si3N4, Al2O3 та SiС під час
ультразвукової ударної обробки сплавів ВТ6 та ЛС59-1 дозволило синтезувати
композиційні покриття із підвищеною до 4–5 разів мікро- та інструментальною
твердістю і корозійною стійкістю, товщина яких визначається механічними
властивостями вихідного сплаву та тріщиностійкістю порошку. Синтезовані таким
чином покриття мають градієнтну структуру: ущільнений шар подрібненого
порошку; композиційний шар (матричний сплав армований частинками порошку);
область деформаційного зміцнення з модифікованим фазовим складом.
Ультразвукова ударна обробка з порошком b-Si3N4 гальмує
високотемпературне окиснення поверхні сплаву ВТ6: втрата маси після 50 годин
циклічного відпалу на повітрі за температури 650 °С зменшується вдвічі, порівняно
із вихідним станом, завдяки механічному легуванню подрібненими частинками
порошку до глибини 16 мкм, прискореному масопереносу та частковому спіканню
компонентів синтезованого покриття. Такий результат обумовлюється тим, що bSi3N4 та Ti мають однаковий тип кристалічної ґратки з близькими параметрами (для
Ti – a = 0,2951 нм, для b-Si3N4 – с = 0,2909 нм). Дана модифікація нітриду кремнію
характеризується також досить високою стійкістю до теплових ударів, що
забезпечує низький рівень термічних напружень під час циклічного відпалу.
Комбінована дія ультразвукової ударної обробки поверхні сплаву ВТ6 з
порошком Al2O3 та відпалу за температури 650 °C дозволила сформувати захисне
композиційне покриття із покращеними властивостями порівняно із вихідним
станом: збільшеною у 4 рази інструментальною твердістю (до 12,8 ГПа);
зменшеним в 2,5 рази коефіцієнтом тертя та зменшеними в 20 разів втратами на
зношування; покращеним у 1,5 рази та в 6,5 разів опором окисненню за
підвищених температур і в середовищі 3,5% NaCl, відповідно.
Градієнтна структура синтезованого покриття представлена у даному
випадку щільною плівкою Al2O3/TiO2 на поверхні, композиційним шаром, що
зміцнений частинками Al2O3, та областю деформаційного зміцнення.
Швидкість окиснення вихідного та модифікованого УЗУО зразків ВТ6
описується параболічним законом з енергією активації 256 кДж/моль та
264 кДж/моль, відповідно. Довжина дифузійного шляху атомів кисню зменшується
на порядок величини порівняно із вихідним сплавом (42 мкм проти 400 мкм,
відповідно).
На початкових стадіях окиснення можна виділити низку факторів, які
впливають на його швидкість, серед яких – наявність міжфазних границь, що
утворюються внаслідок механічного легування приповерхневих шарів сплаву ВТ6
численною кількістю наддрібних частинок Al2O3, а також великої кількості
новоутворених меж зерен внаслідок пластичної деформації матричних
компонентів сплаву під час УЗУО.
УЗУО-синтез покриття з порошком Al2O3 дозволив збільшити твердість
поверхні двофазної латуні ЛС59-1 до 5,3 ГПа, при цьому ефект зміцнення досягає
4 разів, порівняно із вихідним станом. Використання порошку SiC покращило
ефект зміцнення до 5 разів, значення мікротвердості складають 5,65 ГПа та
6,7 ГПа для фракцій 28 мкм–40 мкм та 160 мкм–200 мкм, відповідно. Для випадку
застосування порошку SiC більшої фракції зростає опір до окисного руйнування з
утворенням фази ZnO (за даними рентгенофазових досліджень відсотковий вміст
останньої зменшується з 23% до 10%). Зростання мікротвердості поверхні латуні
ЛС59-1 після УЗУО з порошком SiC обумовлене комбінованим впливом процесів
армування високоміцними карбідними частинками, диспергування зеренної
структури матричних складових (до 70 нм та 50 нм для a-та b-фаз, відповідно) та
фазовим перетворенням b-a (із зменшенням втричі кількості b-фази); загальна
товщина деформованого шару складає 500 мкм.
Електроіскрове легування титаном сплаву АМг6 з подальшою
ультразвуковою ударною обробкою забезпечило, порівняно із вихідним станом,
зростання мікротвердості приповерхневих шарів до 3 разів та захисної
ефективності від корозії (у сольовому розчині 3,5% NaCl) на 26% завдяки
твердорозчинному (Ti-Al) та дисперсійному (інтерметалідні та оксидні фази Ti і Al)
зміцненню, а також формуванню бімодальної структури з ультрадисперсними
зернами. Інтенсивність зміцнення після ЕІЛ-УЗУО та УЗУО складає
33,2 МПа/мкм та 13,6 МПа/мкм, відповідно, тобто збільшується майже втричі.
Причому саме деформаційний вплив УЗУО обумовлює утворення областей
фрагментованої мікроструктури у поверхневих шарах сплаву АМг6, де кожен
фрагмент характеризується високим значенням середньої густини дислокацій.
Середня товщина модифікованого/синтезованого шару зі значним вмістом титану
та кисню станoвить близько 11 мкм, а загальна глибина інтенсивного проникнення
останнього досягає 32 мкм.
Встановлені в роботі закономірності формування термічно- та механічноіндукованих градієнтних структурно-фазових станів у приповерхневих шарах
промислових сплавів ВТ6, ЛС59-1, АМг6 під дією інтенсивної пластичної
деформації відкривають перспективи створення інноваційних технологій інженерії
металевої поверхні.
Усі результати, що виносяться на захист є новими.
Опис
Ключові слова
покриття, порошок, ультразвукова ударна обробка, відпал, механічне легування, структурно-фазові перетворення, рентгенофазові дослідження, структура, твердість, швидкість окиснення, корозія, зношування, coating, powder, ultrasonic impact treatment, annealing, mechanical alloying, structural-phase transformations, X-ray phase studies, structure, hardness, oxidation rate, corrosion, wear
Бібліографічний опис
Могилко, В. В. Механічні та корозійні властивості композиційних покриттів, синтезованих ультразвуковою ударною обробкою сплавів на основі Ti, Cu, Al : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Могилко Владислав Віталійович. – Київ, 2023. – 172 с.