Механічні та корозійні властивості композиційних покриттів, синтезованих ультразвуковою ударною обробкою сплавів на основі Ti, Cu, Al
| dc.contributor.advisor | Волошко, Світлана Михайлівна | |
| dc.contributor.author | Могилко, Владислав Віталійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-01T12:04:57Z | |
| dc.date.available | 2024-02-01T12:04:57Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | uk |
| dc.description.abstractother | Mohylko V.V. Mechanical and corrosion properties of composite coatings synthesized by ultrasonic impact treatment of Ti, Cu, Al based alloys. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 132 "Materials Science" (13 - Mechanical Engineering). – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the solution to a current scientific and technical problem – improving the mechanical and corrosion properties of the surface of alloys based on non-ferrous metals (Ti, Cu and Al) by ultrasonic impact synthesis of highstrength composite coatings. The dissertation consists of five sections, which include: the analysis of literary data devoted to the influence of methods of intensive deformation and surface modification on structural-phase transformations and changes in the properties of nonferrous alloys (Chapter 1); the description of research objects and methods (Chapter 2); the influence of ultrasonic impact treatment (USIT) with using finely dispersed a-Si3N4, b-Si3N4, SiC and Al2O3 powders and thermal treatment (TT) on the structure, phase composition and surface properties of titanium alloy Grade5 (Chapter 3) and brass CuZn38Pb1 (Chapter 4); changes in the structural phase state and surface properties of 5083 aluminum alloy after electrospark alloying (ESA) with titanium and following USIT (Chapter 5). The USIT with powders was carried out in air according to the quasi-hydrostatic impact load scheme in order to significantly increase the mechanical energy and synthesis of deformation composites by mechanical alloying of the surface layers of alloys with crushed particles; in this case, high-temperature treatment in air was additionally applied to intensify the oxidation processes and compact the synthesized coatings. ESA with titanium in air was also used for the synthesis of oxide and intermetallic compounds with following USIT according to the contact-shift scheme of impact loading for the purpose of low-temperature mechanical nanostructuring of the synthesized coatings. The following regimes of the treatment were applied: - for USIT: frequency of the ultrasonic generator – 21 kHz, power – 0.6 kW, duration of processing – 30 s–300 s, speed of rotation of the impact head – 10 rpm, amplitude of oscillations of the stress concentrator – 15 m–25 m, number of peens - 1/7; - for ESA: duration, energy and frequency of electric pulses was about 200 s, 1 J and 50 3 Hz, respectively; - for TT: air environment, temperature of annealing – 550 °С and 650 25°С, duration – 5 hours, and under conditions of cyclic annealing – 50 hours. A complex of experimental methods for studying the structure and phase composition of synthesized coatings (X-ray phase analysis, electron microscopy), chemical distribution of components (micro-X-ray spectral analysis), mechanical and corrosion properties (wear tests, sclerometry, micro- and nano-indentation, gravimetry, potentiostatic method) was applied. The use of high-strength dispersed Si3N4, Al2O3 and SiC powders during the ultrasonic impact treatment of Grade5 and CuZn38Pb1 alloys allows the synthesis of composite coatings with increased micro- and instrumental hardness up to 4-5 times and corrosion resistance compared to the initial state. The thickness of these coatings is determined by mechanical properties of the alloy and the crack resistance of the powder. The coatings obtained in this way have a gradient structure and consist of compacted layer of crushed powder, composite layer (matrix alloy reinforced with powder particles) and area of the strain hardening with modified phase composition. The ultrasonic impact treatment with b-Si3N4 powder inhibits high-temperature oxidation of the surface of the Grade5 alloy: mass loss after 50 hours of cyclic annealing in air at a temperature of 650 °C is reduced by two times, compared to the initial state, due to the mechanical alloying of the surface layers of alloys with crushed particles to a depth of 16 m, accelerated mass transfer and partial sintering of the components of the synthesized coating. This result is due to the fact that b-Si3N4 has a hexagonal lattice type, like the metal matrix and close values of periods (parameter a is 2.951 A for Ti, and 2.909 A for b-Si3N4). In addition, this modification of the silicon nitride is characterized by a fairly high resistance to thermal impacts, which can provide a low level of thermal stress during cyclic annealing. The combined effect of ultrasonic impact treatment of the surface of the Grade5 alloy with Al2O3 powder and the subsequent heat treatment at the temperature of 650 °C allows: a 4-factor increase of the nanohardness (up to 12.8 GPa) and a 2.5-factor reduction of the coefficient of friction during 30 test cycles and significantly reduce wear rate; a 1.5-factor increase of the heat resistance; to increase by 6.5 times the resistance to corrosion in the 3.5% NaCl environment, compared to the initial state. The gradient structure of the synthesized coating contains dense Al2O3/TiO2 films on the surface, composite layer reinforced by Al2O3 particles surrounded by oxidized Grade5 and area of the strain hardening. The oxidation rate of the original and USIT-modified samples of the Grade5 alloy is described by a parabolic law with an activation energy of 256 kJ/mol and 264 kJ/mol, respectively. The length of the diffusion path of oxygen atoms decreases by an order of magnitude compared to the original alloy (42 m versus 400 m, respectively). At the initial stages of oxidation, a number of factors that affect oxidation rate can be distinguished: the presence of interphase boundaries which formed as a result of the mechanical alloying of a large number of ultrafine Al2O3 particles into the surface layers of the Grade5 alloy, and a large number of newly formed grain boundaries due to the plastic deformation of the matrix components of the alloy during USIT. The USIT-synthesis of the coating using the Al2O3 oxide powder allows an increase of the hardness of the surface of two-phase CuZn38Pb1 brass to 5.3 GPa, the strengthening effect reaches 4 times that of an initial state. The use of SiC powder makes it possible to achieve a strengthening effect that is 5 times greater than the original; the microhardness values are 5.65 GPa and 6.7 GPa for fractions 28 m–40 m and 160 m–200 m, respectively. An increase in the fraction of SiC powder improves the resistance to oxidative destruction and the formation of the ZnO phase (by X-ray phase studies the percentage content of the latter decreases from 23% to 10%). The microhardness of the surface of CuZn38Pb1 brass after USIT with SiC powder is further increased by the complex influence of the processes of reinforcement with high- strength carbide particles, refinement of the grain structure of matrix components (up to 70 nm and 50 nm for a- and b-phases, respectively) and phase transformation b-a (with a three-factor decreasing in the amount of the b-phase); the total depth of deformation influence is close to 500 m. Electrospark alloying of the surface of the 5083 alloy with titanium followed by ultrasonic impact treatment provides an increase of the microhardness of up to 3 times and 26% increase in the corrosion resistance efficiency (in a 3.5% NaCl solution) of nearsurface layers, compared to the initial state, due to solid-soluble (Ti-Al) and dispersion (intermetallic and oxide phases of Ti and Al) strengthening, as well as the formation of a bimodal structure with ultradispersed grains. The strengthening intensity after ESA-USIT and USIT is 33.2 MPa/m and 13.6 MPa/μm, respectively. Moreover, it is the deformation effect of USIT that determines the formation of areas of fragmented microstructure in the surface layers of the 5083 alloy, where each fragment is characterized by a high value of the average density of dislocations. The average thickness of the modified/synthesized layer with a significant content of titanium and oxygen is about 11 m, and the total depth of intensive penetration of the latter reaches 32 m. The regularities of the formation of thermally- and mechanically-induced gradient structural-phase states in the near-surface layers of industrial alloys Grade5, CuZn38Pb1 and 5083 under the influence of intense plastic deformation, established in the work, open up prospects for the creation of new progressive surface engineering technologies. All results submitted for defense are new. | uk |
| dc.format.extent | 172 с. | uk |
| dc.identifier.citation | 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. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64187 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | покриття | uk |
| dc.subject | порошок | uk |
| dc.subject | ультразвукова ударна обробка | uk |
| dc.subject | відпал | uk |
| dc.subject | механічне легування | uk |
| dc.subject | структурно-фазові перетворення | uk |
| dc.subject | рентгенофазові дослідження | uk |
| dc.subject | структура | uk |
| dc.subject | твердість | uk |
| dc.subject | швидкість окиснення | uk |
| dc.subject | корозія | uk |
| dc.subject | зношування | uk |
| dc.subject | coating | uk |
| dc.subject | powder | uk |
| dc.subject | ultrasonic impact treatment | uk |
| dc.subject | annealing | uk |
| dc.subject | mechanical alloying | uk |
| dc.subject | structural-phase transformations | uk |
| dc.subject | X-ray phase studies | uk |
| dc.subject | structure | uk |
| dc.subject | hardness | uk |
| dc.subject | oxidation rate | uk |
| dc.subject | corrosion | uk |
| dc.subject | wear | uk |
| dc.subject.udc | 621.45.038.7; 621.45.038.72l; 621.891 | uk |
| dc.title | Механічні та корозійні властивості композиційних покриттів, синтезованих ультразвуковою ударною обробкою сплавів на основі Ti, Cu, Al | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Mohylko_dys.pdf
- Розмір:
- 8.94 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: