Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром
Исследовано влияние факторов воздушно-газового плазменного напыления (ВГПН) (мощность плазмотрона, расход плазмообразующего газа, дистанция напыления, диаметр анода) механической смеси порошков двойного карбида титана–хрома и нихрома на характеристики получаемых покрытий (структуру, микротвердость,...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112961 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром / Ю.С. Борисов, А.Л. Борисова, М.В. Коломыцев, О.П. Масючок // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 21-27. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112961 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Борисов, Ю.С. Борисова, А.Л. Коломыцев, М.В. Масючок, О.П. 2017-01-30T17:47:46Z 2017-01-30T17:47:46Z 2015 Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром / Ю.С. Борисов, А.Л. Борисова, М.В. Коломыцев, О.П. Масючок // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 21-27. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112961 621.793.7 Исследовано влияние факторов воздушно-газового плазменного напыления (ВГПН) (мощность плазмотрона, расход плазмообразующего газа, дистанция напыления, диаметр анода) механической смеси порошков двойного карбида титана–хрома и нихрома на характеристики получаемых покрытий (структуру, микротвердость, пористость, стойкость к выкрашиванию). Программа экспериментов была составлена с использованием метода математического планирования. По результатам обработки данных экспериментов получены уравнения регрессии, определяющие количественную зависимость значений средней и максимальной микротвердости, стабильности показателей микротвердости и степени выкрашивания от факторов процесса напыления. Для анализа результатов использованы показатели теплосодержания плазменной струи и продолжительности процесса прохождения частиц порошка через плазменную струю. Установлено, что наибольшее влияние на структуру и свойства полученных покрытий оказывает режим истечения плазменной струи и величина ее теплосодержания. В случае использования при ВГПН покрытий из механической смеси порошков карбида титана-хрома и нихрома (3:1) анода диаметром 10 мм, обеспечивающего сверхзвуковой режим истечения струи, при показателе теплосодержания струи 5,6 кВт·ч/м³ формируются плотные покрытия (пористость <1 %) с керметной структурой (карбид титана-хрома и нихром), имеющие среднюю микротвердость 12,6 ГПа, что превосходит в 1,5 раза микротвердость газотермических покрытий из механической смеси порошков карбида хрома и нихрома (8,6 ГПа). Effect of plasma gas air spraying (PGAS) factors (plasmatron power, consumption of plasma gas, spraying distance, anode diameter) of mechanical mixture from double titanium-chromium carbide and nichrome powders on characteristics of produced coatings (structure, microhardness, porosity, chipping resistance) was investigated. Program of experiments was composed using mathematical planning method. Regression equations, determining quantitative dependence of values of average and maximum microhardness, stability of microhardness indices and level of chipping on spraying process factors, were received based on data processing results. Indices of heat content in plasma jet and duration of powder particle passing through plasma jet were used for analysis of the results. It is determined that mode of plasma jet outflow and value of its heat content have the largest effect on structure and properties of produced coatings. Using 10 mm diameter anode, providing supersonic jet outflow mode at 5.6 kWрh/m³ heat content index, for PGAS of coatings from mechanical mixture of titanium-chromium carbide and nichrome powders (3:1) promotes for formation of dense coatings (porosity <1 %) with cermet structure (titanium-chromium carbide and nichrome). Such coatings have average microhardness 12.6 GPa that 1.5 times exceeds microhardness of thermal coatings from mechanical mixture of chromium carbide and nichrome powders (8.6 GPa). 20 Ref., 6 Tables, 2 Figures. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром Supersonic plasma gas air spraying of cermet coatings of the (Ti, Cr)C-NiCr system Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром |
| spellingShingle |
Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром Борисов, Ю.С. Борисова, А.Л. Коломыцев, М.В. Масючок, О.П. Научно-технический раздел |
| title_short |
Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром |
| title_full |
Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром |
| title_fullStr |
Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром |
| title_full_unstemmed |
Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром |
| title_sort |
сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром |
| author |
Борисов, Ю.С. Борисова, А.Л. Коломыцев, М.В. Масючок, О.П. |
| author_facet |
Борисов, Ю.С. Борисова, А.Л. Коломыцев, М.В. Масючок, О.П. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Supersonic plasma gas air spraying of cermet coatings of the (Ti, Cr)C-NiCr system |
| description |
Исследовано влияние факторов воздушно-газового плазменного напыления (ВГПН) (мощность плазмотрона, расход плазмообразующего газа, дистанция напыления, диаметр анода) механической смеси порошков двойного карбида титана–хрома и нихрома на характеристики получаемых покрытий (структуру, микротвердость, пористость, стойкость к выкрашиванию). Программа экспериментов была составлена с использованием метода математического планирования. По результатам обработки данных экспериментов получены уравнения регрессии, определяющие количественную зависимость значений средней и максимальной микротвердости, стабильности показателей микротвердости и степени выкрашивания от факторов процесса напыления. Для анализа результатов использованы показатели теплосодержания плазменной струи и продолжительности процесса прохождения частиц порошка через плазменную струю. Установлено, что наибольшее влияние на структуру и свойства полученных покрытий оказывает режим истечения плазменной струи и величина ее теплосодержания. В случае использования при ВГПН покрытий из механической смеси порошков карбида титана-хрома и нихрома (3:1) анода диаметром 10 мм, обеспечивающего сверхзвуковой режим истечения струи, при показателе теплосодержания струи 5,6 кВт·ч/м³ формируются плотные покрытия (пористость <1 %) с керметной структурой (карбид титана-хрома и нихром), имеющие среднюю микротвердость 12,6 ГПа, что превосходит в 1,5 раза микротвердость газотермических покрытий из механической смеси порошков карбида хрома и нихрома (8,6 ГПа).
Effect of plasma gas air spraying (PGAS) factors (plasmatron power, consumption of plasma gas, spraying distance, anode diameter) of mechanical mixture from double titanium-chromium carbide and nichrome powders on characteristics of produced coatings (structure, microhardness, porosity, chipping resistance) was investigated. Program of experiments was composed using mathematical planning method. Regression equations, determining quantitative dependence of values of average and maximum microhardness, stability of microhardness indices and level of chipping on spraying process factors, were received based on data processing results. Indices of heat content in plasma jet and duration of powder particle passing through plasma jet were used for analysis of the results. It is determined that mode of plasma jet outflow and value of its heat content have the largest effect on structure and properties of produced coatings. Using 10 mm diameter anode, providing supersonic jet outflow mode at 5.6 kWрh/m³ heat content index, for PGAS of coatings from mechanical mixture of titanium-chromium carbide and nichrome powders (3:1) promotes for formation of dense coatings (porosity <1 %) with cermet structure (titanium-chromium carbide and nichrome). Such coatings have average microhardness 12.6 GPa that 1.5 times exceeds microhardness of thermal coatings from mechanical mixture of chromium carbide and nichrome powders (8.6 GPa). 20 Ref., 6 Tables, 2 Figures.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112961 |
| citation_txt |
Сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыление керметных покрытий системы карбид титана-хрома–нихром / Ю.С. Борисов, А.Л. Борисова, М.В. Коломыцев, О.П. Масючок // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 21-27. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT borisovûs sverhzvukovoevozdušnogazovoeplazmennoenapyleniekermetnyhpokrytiisistemykarbidtitanahromanihrom AT borisovaal sverhzvukovoevozdušnogazovoeplazmennoenapyleniekermetnyhpokrytiisistemykarbidtitanahromanihrom AT kolomycevmv sverhzvukovoevozdušnogazovoeplazmennoenapyleniekermetnyhpokrytiisistemykarbidtitanahromanihrom AT masûčokop sverhzvukovoevozdušnogazovoeplazmennoenapyleniekermetnyhpokrytiisistemykarbidtitanahromanihrom AT borisovûs supersonicplasmagasairsprayingofcermetcoatingsoftheticrcnicrsystem AT borisovaal supersonicplasmagasairsprayingofcermetcoatingsoftheticrcnicrsystem AT kolomycevmv supersonicplasmagasairsprayingofcermetcoatingsoftheticrcnicrsystem AT masûčokop supersonicplasmagasairsprayingofcermetcoatingsoftheticrcnicrsystem |
| first_indexed |
2025-11-26T08:10:36Z |
| last_indexed |
2025-11-26T08:10:36Z |
| _version_ |
1850615210362011648 |
| fulltext |
212/2015
УДК 621.793.7
СВЕРХЗВУКОВОЕ ВОЗДУШНО-ГАЗОВОЕ ПЛАЗМЕННОЕ
НАПЫЛЕНИЕ КЕРМЕТНЫХ ПОКРЫТИЙ
СИСТЕМЫ КАРБИД ТИТАНА-ХРОМА–НИХРОМ
Ю.С. БОРИСОВ, А.Л. БОРИСОВА, М.В. КОЛОМЫЦЕВ, О.П. МАСЮЧОК
ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Исследовано влияние факторов воздушно-газового плазменного напыления (ВГПН) (мощность плазмотрона, расход
плазмообразующего газа, дистанция напыления, диаметр анода) механической смеси порошков двойного карбида ти-
тана–хрома и нихрома на характеристики получаемых покрытий (структуру, микротвердость, пористость, стойкость к
выкрашиванию). Программа экспериментов была составлена с использованием метода математического планирования.
По результатам обработки данных экспериментов получены уравнения регрессии, определяющие количественную
зависимость значений средней и максимальной микротвердости, стабильности показателей микротвердости и степени
выкрашивания от факторов процесса напыления. Для анализа результатов использованы показатели теплосодержания
плазменной струи и продолжительности процесса прохождения частиц порошка через плазменную струю. Установлено,
что наибольшее влияние на структуру и свойства полученных покрытий оказывает режим истечения плазменной струи
и величина ее теплосодержания. В случае использования при ВГПН покрытий из механической смеси порошков кар-
бида титана-хрома и нихрома (3:1) анода диаметром 10 мм, обеспечивающего сверхзвуковой режим истечения струи,
при показателе теплосодержания струи 5,6 кВт∙ч/м3 формируются плотные покрытия (пористость <1 %) с керметной
структурой (карбид титана-хрома и нихром), имеющие среднюю микротвердость 12,6 ГПа, что превосходит в 1,5 раза
микротвердость газотермических покрытий из механической смеси порошков карбида хрома и нихрома (8,6 ГПа).
Библиогр. 20, табл. 6, рис. 2.
К л ю ч е в ы е с л о в а : керметы, двойной карбид титана–хрома, сверхзвуковое воздушно-газовое плазменное напыле-
ние, свойства покрытий, микротвердость, планирование эксперимента
Газотермические покрытия с керметной структу-
рой, состоящие из металлической матрицы, в ос-
новном на основе сплавов никеля, кобальта или
железа, с упрочняющей фазой, главным образом
карбидов вольфрама, хрома или титана, являют-
ся наиболее широко распространенным классом
покрытий, защищающих поверхность деталей от
различных видов изнашивания [1–3]. В последнее
время им уделяется особое внимание в связи с воз-
можностью их применения в качестве альтернати-
вы покрытиям из твердого хрома, что позволяет
решить одну из современных задач защиты окру-
жающей среды [4–6].
Наиболее широкое практическое применение
получили керметные системы WC–Co и Cr3C2–
NiCr [3, 6, 7]. Ведущими мировыми фирмами
«Starck» (Германия), «Sulzer» (США), «Praxair»
(США) проведена разработка составов и освоен
ряд технологий изготовления порошков этих мате-
риалов, специализированных по своим свойствам
для использования на установках плазменного, де-
тонационного и высокоскоростного газопламенно-
го напыления [8–10]. Данные материалы выпуска-
ются в виде либо механических смесей порошков
карбидов и матричного сплава, либо порошков
конгломератов компонентов кермета, прошедших
предварительные процедуры спекания-дробления
механической смеси или ее конгломерирования —
спекания. Свойства получаемых покрытий в зна-
чительной мере зависят от способа получения по-
рошка [11].
Составы керметов WC-Co для ГТН отлича-
ются по содержанию кобальта (12…17 мас.%)
и для повышения коррозионной стойкости до-
полнительно легируются хромом (4…8 мас. %).
Микротвердость получаемых покрытий зависит
от содержания кобальта и составляет при 12 %
Со HV0,3 — 1200…1500, при 17 % Со HV0,3 —
900…1100 [8].
В составах керметов для ГТН системы Cr3C2–
NiCr содержание NiCr находится в пределах
15…25 мас. %, а средняя микротвердость су-
щественно изменяется не только в зависимости
от количества NiCr (HV0,3 — 1035 для кермета
Cr3C2–15 % NiCr; HV0,3 — 865 для Cr3C2–25 %
NiCr), но и способа получения порошка, увеличи-
ваясь в случае Cr3C2–25 % NiCr до HV0,3 — 1100
при переходе от использования механической
смеси порошков к порошку, полученному мето-
дом предварительного агломерирования смеси
мелких порошков компонентов с последующим
спеканием [11]. Причиной такого изменения явля-
ется более однородное распределение составляю-
© Ю.С. Борисов, А.Л. Борисова, М.В. Коломыцев, О.П. Масючок, 2015
22 2/2015
щих и наличие продукта взаимодействия карбида
и сплава при спекании.
Важным служебным свойством рассматрива-
емых керметных покрытий, определяющим об-
ласть их практического использования, являет-
ся максимальная температура их применения.
Согласно паспортным данным, представляемым
фирмами-изготовителями специализированных
порошков для ГТН, она составляет на воздухе
480…500 °С для керметов WC–Co и 870…900 °С
для Cr3C2–NiCr [8–10]. Однако в случае кермета
Cr3C2–NiCr надежная защита покрытия от окисле-
ния обеспечивается за счет формирования на его
поверхности плотной пленки Cr2О3, что происхо-
дит в области температур 600…700 °С [12].
В связи с этим актуальным является разработ-
ка газотермического керметного покрытия, обе-
спечивающего защиту поверхности от изнаши-
вания при рабочих температурах, включающих
диапазон 500…700 °С. К числу карбидных мате-
риалов с таким свойством относится двойной кар-
бид титана-хрома, имеющий высокую стойкость
к окислению при температурах до 1100 °С, кото-
рый в то же время по значению микротвердости
(до 40 ГПа) превосходит микротвердость карбида
титана (32 ГПа) и карбида хрома (22,8 ГПа) [13].
Эксперименты по нанесению керметных покры-
тий, содержащих двойной карбид титана-хрома
(Ti, Cr)С, базировались на использовании компо-
зиционных порошков (Ti, Cr)С, плакированных
никелем [14–16] или никель-молибденом [17].
Покрытия получали методом плазменного напы-
ления с использованием в качестве рабочего газа
аргоноводородной смеси [14–17], а также в усло-
виях воздушно-газового плазменного напыления
(ВГПН) при дозвуковом и сверхзвуковом режиме
истечения струи плазмы [17]. Структура плазмен-
ных покрытий, полученных при использовании
Ar/H2-плазменной струи и мощности плазмотро-
на 30…35 кВт [17], состоит из карбидной фазы
с микротвердостью НV 25…30 ГПа, металличе-
ской с НV 1,8 ГПа, а также фазы, имеющей НV
15…16 ГПа и являющейся, по-видимому, продук-
том взаимодействия (Ti, Cr)С с металлом оболоч-
ки частиц (Ni) [14, 15].
Анализ фазовых и структурных превращений
в порошках чистого и плакированного (Ti, Cr)С,
происходящих в условиях ВГПН, показал, что при
сверхзвуковом режиме снижается степень окисле-
ния напыленного материала и повышается устойчи-
вость плакирующей оболочки на карбидном ядре.
Исследование жаростойкости плазменных по-
крытий из композиционных порошков Ni(Ti, Cr)С с
содержанием 30…35 мас. % Ni показало, что они
при 800 °С на воздухе имеют достаточно высокое
сопротивление окислению [15, 18].
Задачей настоящей работы являлось проведе-
ние экспериментов по нанесению покрытий из
механической смеси порошков (Ti,Cr)С и NiCr
в условиях применения сверхзвукового воздуш-
но-газового плазменного напыления (СВГПН) с
целью установления влияния основных факто-
ров СВГПН на структуру и свойства получаемых
покрытий.
Материалы и оборудование. В качестве мате-
риала для напыления использовали механическую
смесь порошков двойного карбида титана–хро-
ма ((Ti,Cr)С) при соотношении TiС:Cr3С2 = 7:3 и
нихрома (NiCr) в соотношении 3:1 (мас. %). Ха-
рактеристики (Ti,Cr)С и NiCr приведены в табл. 1.
Нанесение покрытий проводили на установке
СВГПН «Киев-С», разработанной совместно Ин-
ститутом газа НАН Украины и ИЭС им. Е. О. Па-
тона [19]. В качестве плазмообразующего газа ис-
пользовали воздух.
Методика эксперимента. Программу иссле-
дований разработали с привлечением метода ма-
тематического планирования эксперимента. План
проведения опытов по напылению покрытий был
составлен с применением блоков матрицы дроб-
ного факторного эксперимента 23-1 для различных
размеров диаметра сопла анода dа — 10 и 11 мм
(табл. 2). Принципиальная разница в условиях
протекания процесса напыления при диаметрах
анода 10 и 11 мм состоит в характере истечения
плазменной струи.
В первом случае (dа = 10 мм) он носит сверх-
критический характер, т.е. струя является
сверхзвуковой. Во втором случае (dа = 11 мм) в за-
висимости от электрической мощности и расхода
плазмообразующего газа он может находиться в
области как докритического, так и критического,
т. е. струю следует считать дозвуковой. В качестве
переменных факторов выбрали электрическую
мощность плазмотрона W, кВт (Х1), расход плаз-
мообразующего газа (воздуха) G, м3/ч (Х2) и дис-
Таблица 1 . Характеристики порошков компонентов
механической смеси (Ti,Cr)С–NiCr
Материал Состав,
мас.%
Температура
плавления,
°С
Плот-
ность,
г/см3
Размер
частиц,
мкм
Двойной
карбид тита-
на -хрома
TiС-70,
Cr3С2-30 ~2750 5,35 15…40
Нихром Ni-80
Cr-20 1400 8,4 40…63
Таблица 2 . Матрица дробного факторного эксперимен-
та 23-1
Номер опыта Х1 Х2
1 + +
2 + -
3 - +
4 - -
232/2015
танцию напыления L, мм (табл. 3). Во всех опытах
сохранялся неизменным расход напыляемого ма-
териала (6 кг/ч).
В табл. 4 представлен рабочий план, состав-
ленный в соответствии с матрицей дробного фак-
торного планирования эксперимента.
При анализе процесса плазменного напыления
покрытий с керметной структурой с использова-
нием механических смесей порошков из карби-
дов и сплава, служащего металлической матри-
цей структуры, в случае их совместной подачи в
струю следует учитывать ряд принципиальных
особенностей такого процесса [20]:
на начальном этапе процесса во время ввода
газопорошковой смеси в плазменную струю при
различии величин плотности и размера частиц
компонента возможно разделение траекторий дви-
жения частиц карбида и металла и возникновения
неоднородности их концентраций в объеме струи;
наличие разницы в величине параметра труд-
ности плавления материала частиц карбида и ме-
талла [1, 2] и размера их частиц ведет к неодно-
родности условий их плавления при нагреве в
струе плазмы, которая может усугубляться в слу-
чае упомянутой выше сепарации частиц компо-
нентов кермета в объеме струи;
одним из основных требований к выбору пара-
метров плазменного напыления покрытий из кар-
бидных материалов является минимизация потерь
углерода, возникающих при движении частиц в
кислородсодержащих зонах струи, которые зави-
сят от степени перегрева частиц карбида сверх
температуры плавления, дистанции напыления,
скорости и траектории полета частиц порошка.
Поскольку одной из главных задач технологии
плазменного напыления керметных покрытий, со-
держащих карбиды, является обеспечение их из-
носостойкости, то в качестве функций отклика в
плане эксперимента использовали:
ñðH
µ — среднюю микротвердость покрытия
(ГПа) как характеристику его структуры и показа-
тель его возможной износостойкости;
maxH
µ — максимальную микротвердость по-
крытия (ГПа), характеризующую степень сохра-
нения карбидом его твердости, т. е. величину по-
терь углерода;
/ ñðX H
µ
∆ — отношение доверительного интер-
вала к средней микротвердости покрытия, отража-
ющее степень однородности структуры получен-
ного покрытия;
B – степень выкрашивания покрытия как пока-
затель когезионной прочности покрытия, связан-
ной с неоднородностью нагрева частиц;
фазовый состав и пористость покрытия.
Для анализа связи полученных результатов с
условиями процесса напыления, в частности, ха-
рактеристиками плазменной струи и временем
пребывания частиц напыляемого материала в
объеме струи, влияющем как на развитие тепло-
обмена, так и на степень взаимодействия частиц
с окружающей средой, были сформированы два
комплекса параметров процесса напыления:
/ ,
ò
K W G= кВт∙ч/м3 — показатель теплосодер-
жания плазменной струи, полученного ею при
прохождении через дуговой разряд;
22,82 / ,
à
K Ld G
t
= с — показатель продолжитель-
ности процесса движения частиц порошка в объе-
ме струи до момента удара о поверхность основы.
Покрытия наносили на поверхность образцов
из стали, предварительно подвергнутых струй-
но-абразивной обработке с использованием по-
рошка корунда. Расход транспортирующего газа
подбирался таким образом, чтобы траектория по-
лета частиц порошков (Ti,Cr)С и NiCr располага-
лась в осевой зоне плазменной струи.
Исследования структуры и свойств покры-
тия проводили с применением методов металло-
графии («Neophot-32»), рентгенофазового анали-
за (ДРОН-3М, излучение CuKα c Ni-фильтром) и
микротвердомера ПМТ-3. Пористость покрытия
определяли в темном поле изображения шлифа, а
количество выкрашиваний измеряли с помощью
программы ImagePro.
Результаты эксперимента и обсуждение. Ре-
зультаты исследования структуры и свойств по-
крытий, полученные при выполнении плана экс-
перимента в соответствии с табл. 4, показаны в
табл. 5. На рис. 1 представлена микроструктура
покрытий, напыленных с использованием режи-
мов, соответствующих рабочему плану, толщина
покрытий находилась в диапазоне 150…250 мкм.
Таблица 3. Интервалы варьирования и значения фак-
торов ВГПН покрытий
Параметры
варьирования
Факторы
W, кВт G, м3/ч L, мм
Верхний уровень + 90 24 200
Нижний уровень – 70 16 160
Основной уровень 0 80 20 180
Интервал варьирования 10 4 20
Таблица 4. План экспериментальной работы ВГПН из
порошка 75(Ti,Cr)С + 25NiCr
Номер опыта W, кВт G, м3/ч L, мм
dа = 10 мм
1/1 90 24 200
2/1 90 16 160
3/1 70 24 160
4/1 70 16 200
dа = 11 мм
1/2 90 24 200
2/2 90 16 160
3/2 70 24 160
4/2 70 16 200
24 2/2015
Микроструктуры покрытий, представленных
на рис. 1, могут быть разделены на две группы:
2/1, 4/1 и 2/2, которые отличаются высокой
плотностью (пористость <1 %) с невысокой сте-
пенью выкрашивания (5…10 %) и отсутствием
включений нерасплавленных частиц при наиболь-
шей толщине полученного слоя (до 250 мкм);
1/1, 3/1, 1/2, 3/2 и 4/2, где пористость увели-
чена до 3 %, обнаруживаются включения нерас-
плавленных частиц и повышенная степень выкра-
шивания (до 13...15 %), толщина слоя составляет
100…150 мкм.
Наличие таких особенностей микрострукту-
ры может быть объяснено различием условий
их нанесения и прежде всего различной величи-
ной показателя Кт, характеризующего теплосодер-
жание плазменной струи. В случае первой груп-
пы он составляет 4,4…5,6 кВт∙ч/м3, во втором
– 2,9…3,75 кВт∙ч/м3 , что в сочетании в первой груп-
пе с увеличенным показателем времени нагрева
((2,82…3,7)∙10-3 с) обеспечивает эффективный на-
грев частиц и формирование плотной структуры по-
крытий с повышенной когезионной прочностью.
Аналогичный вывод получен при анализе пока-
зателей микротвердости покрытий, где покрытия из
первой группы (2/1, 4/1 и 2/2) имеют более высокие
значения как средней (6,20…12,60 ГПа), так и мак-
симальной микротвердости (10,78…19,14 ГПа),
чем покрытия второй группы (3,36…6,98 ГПа и
6,43…10,23 ГПа). Объяснение этим результатам
следует из данных по фазовому составу покры-
тий. Поскольку покрытие (Ti, Cr)С–NiCr являет-
ся по своей структуре керметным, то оно состоит
из фазы металлической связки NiCr и карбидной
фазы (Ti, Cr)С, отличающихся существенно раз-
ной твердостью. В связи с этим полученные дан-
ные измерения средней микротвердости отража-
ют соотношение этих фаз в объеме покрытия. В
исходном напыленном материале объемные доли
(Ti, Cr)С и NiCr в соответствии с их весовым со-
отношением 3:1 и плотностью материала (табл. 1)
составляют 82 и 18 %, соответственно. В связи с
различием температуры плавления компонентов в
процессе напыления в первую очередь расплавля-
ется NiCr, а доля участия в формировании покры-
тия (Ti, Cr)С зависит от развития процессов те-
плообмена. Согласно указанному выше условию
в опытах 2/1 и 4/1 они более благоприятны для
плавления карбида, что и подтверждает фазовый
состав этих покрытий (табл. 5). Условия опытов
2/1 и 2/2 по показателям Кт и Кt практически оди-
наковы, однако состав и микротвердость отлича-
ются. В случае 2/2 ведущей фазой является NiCr,
что возможно связано с отклонением траекторий
частиц (Ti, Cr)С в более холодную зону плазмен-
ной струи при переходе от сверхзвукового к до-
звуковому режиму истечения струи.
Для определения степени влияния отдельных
факторов режимов процесса напыления на харак-
теристики покрытия с использованием данных,
полученных при выполнении плана эксперимента
согласно табл. 4 и 5, были составлены уравнения
регрессии:
При применении анода диаметром 10 мм:
ñðH
µ
= 7,04 + 0,021W – 0,024G – 0, 011L;
maxH
µ
= 11,3 + 0,027W – 0,037G – 0,015L;
/ ñðX H
µ
∆
= 0,213 – 0,014W – 0,0145G + 0,008L;
В = 7 –0,2W+ 0,75G + 0,025L.
При применении анода диаметром 11 мм:
Таблица 5. Характеристики структуры и свойства ВГПН покрытий (Ti, Cr)С–NiCr, полученных в соответствии с
планом экспериментов (табл. 4)
dа,
мм
Но-
мер
опы-
та
Микротвердость
HV0,05, ГПа
/ ñðX H
µ
∆
Выкра-
шива-
ние В,
%
Фазовый
состав
Пори-
стость,
%
Особенность
структуры
Kт,
кВт∙ч/м3
Kτ,
10-3сñðH
µ
maxH
µ
10
1/1 5,70 8,86 0,2 12 NiCr, (Ti, Cr)С,
Ti2O5,CrTiO3
<3 Нерасплавленные
частицы 3,75 2,35
2/1 12,60 19,14 0,208 5 (Ti, Cr)С, NiCr,
CrTiO3, NiCrO <1 - 5,6 2,82
3/1 3,36 6,43 0,214 15 NiCr, (Ti, Cr)С,
Ti2O5,CrTiO3
<3 Нерасплавленные
частицы 2,9 1,88
4/1 6,20 10,78 0,303 10 (Ti, Cr)С, NiCr,
CrTiO3, NiCrO <1 - 4,4 3,70
11
1/2 6,98 8,86 0,251 12 NiCr, (Ti, Cr)С, CrTiO3 <1 - 3,75 2,84
2/2 7,45 13,36 0,204 8 NiCr, (Ti, Cr)С,
CrTiO3, Cr23С6
<1 - 5,6 3,41
3/2 6,00 10,23 0,218 10 NiCr, (Ti, Cr)С,
CrTiO2, TiO <3
Крупные
нерасплавленные
частицы
2,9 2,27
4/2 5,30 10,23 0,166 13 NiCr, (Ti, Cr)С,
CrTiO3, NiCrO <3 - 4,4 4,48
252/2015
ñðH
µ
= 6,4 + 0,008W + 0,001G – 0,003L;
maxH
µ
= 10,7 + 0,011W – 0,004G – 0,011L;
/ ñðX H
µ
∆
= 0,182 – 0,0083W – 0,0047G + 0,0069L;
В = –9,5 – 0,15W + 0,25G + 0,05L.
По данным приведенных выше уравнений ре-
грессии построили графики трендов, отражающих
интенсивность влияния отдельных факторов про-
цесса на характеристики покрытий (рис. 2).
Сопоставление характера и интенсивности
влияния различных факторов на свойства полу-
чаемых покрытий (в выбранной области экспе-
римента), проведенное на основании показателей
трендов (рис. 2), представлено в табл. 6.
Из табл. 6 следует, что в случае факторов W и L
направление трендов dа = 10 и dа = 11 мм является
однонаправленным. При увеличении W происхо-
Рис. 1. Микроструктура (×400) покрытий (Ti,Cr)C–NiCr, напыленных при режимах ВГПН, по табл. 4: а – диаметр анода 10;
б – 11 мм
26 2/2015
дит повышение величины ñðH
µ и maxH
µ понижение
/ ñðX H
µ
∆ и В, а при росте фактора L наблюдается
обратный эффект. В целом это можно рассматри-
вать как связь качества покрытия (Ti, Cr)С–NiCr
по показателям его твердости и когезионной проч-
ности с состоянием нагрева частиц, обусловлен-
ным температурой плазменной струн. Разница
состоит в интенсивности воздействия этих факто-
ров при различном режиме истечения плазменной
струи. В случае сверхзвукового режима степень
изменения свойств покрытий при повышении
мощности плазмотрона и сокращении дистанции
напыления более существенна.
Разница между влиянием факторов напыления
на свойства в условиях дозвукового и сверхзвуко-
вого режима наблюдается в случае фактора рас-
хода плазмообразующего газа G. Если в первом
случае обнаруживается тенденция к некоторому
ухудшению качества покрытия при увеличении
расхода плазмообразующего газа как по микрот-
вердости, так и по степени выкрашивания, то во
втором это влияние весьма незначительно.
Формирование покрытий (Ti, Cr)С–NiCr в ус-
ловиях ВГПН безусловно связано с условиями на-
грева частиц кермета, которые в значи-
тельной мере описываются значениями
показателей Кт и Кt. В табл. 5 значения
характеристик покрытий сопоставлены с
величиной этих показателей для каждого
из восьми условий эксперимента. Из дан-
ных табл. 5 следует, что изменение вели-
чины Кт от 2,9 до 5,6 кВт∙ч/м3 в условиях
использования сверхзвуковой струи нераз-
рывно связано с фазовым составом покры-
тий, повышением показателей микротвер-
дости ( ñðH
µ
, maxH
µ
) и снижением степени
его выкрашивания и пористости. При
Кт = 5,6 кВт∙ч/м3 и Кt = 2,82∙10–3 с фор-
мируется покрытие с превалирующим
содержанием (Ti, Cr)С в структуре, что
обусловливает максимальные показатели
средней ( ñðH
µ
= 12,60 ГПа) и максималь-
ной микротвердости ( maxH
µ
= 19,14 ГПа)
при минимальных значениях пористо-
сти (<1 %) и степени выкрашивания
(5 %). Это объясняется нагревом частиц
в струе плазмы с высоким теплосодер-
жанием при увеличенной продолжитель-
ности времени нагрева. Достигнутая ми-
кротвердость керметного покрытия (Ti,
Cr)С–NiCr, полученного из механиче-
ской смеси порошков в соотношении 3:1
путем сверхзвукового ВГПН, в 1,5 раза
превышает микротвердость покрытия
Cr3C2–NiCr из подобной механической
смеси компонентов, напыленного мето-
дом высокоскоростного газопламенного
напыления (8,6 ГПа) [12].
В случае дозвукового режима истече-
ния плазменной струи воздействие по-
казателя Кт гораздо слабее, хотя макси-
Таблица 6. Характер влияния факторов процесса ВГПН
на свойства покрытий (Ti,Cr)С–NiCr
Свой-
ства
Факторы ВГПН
W при dа, мм G при dа, мм L при dа, мм
10 11 10 11 10 11
ñðH
µ ↑↑ ↑ ↓ ~ ↓↓ ↓
maxH
µ ↑↑ ↑ ↓ ~ ↓↓ ↓
/ ñðX H
µ
∆ ↓↓ ↓ ↓ ~ ↑↑ ↑↑
В ↓↓ ↓ ↑ ~ ~ ↑
Примечание. ↑↑, ↓↓– сильное; ↑, ↓ – умеренное; ~ – слабое.
Рис. 2. Влияние факторов процесса ВГПН на характеристики покрытий:
а — ñðH
µ ; б —
maxH
µ ; в — / ñðX H
µ
∆ ; г — В (цифры 10 и 11 относятся к
опытам, проведенным при dа = 10 и 11 мм соответственно)
272/2015
мальные значения характеристик покрытия (7,45
и 13,36 ГПа соответственно) также достигнуты
при его значении 5,6 кВт∙ч/м3, но в структуре пре-
имущественно содержится фаза NiCr.
Выводы
1. На основании результатов комплекса экспери-
ментов, выполненных с применением метода ма-
тематического планирования, проведен анализ
влияния режима истечения плазменной струи
(дозвуковой и сверхзвуковой), параметров воз-
душно-газового плазменного напыления (ВГПН)
(электрической мощности плазмотрона, расхода
плазмообразующего газа и дистанции напыления)
механической смеси порошков (Ti, Cr)С–NiCr на
структуру и свойства получаемых покрытий (ми-
кроструктура, фазовый состав, микротвердость,
пористость, стойкость к выкрашиванию).
2. Анализ полученных уравнений регрессии,
отражающих количественную связь величины ха-
рактеристик покрытий со значениями параметров
ВГПН, показал, что наибольшее влияние на ми-
кротвердость (Ti, Cr)С–NiCr-покрытий оказывают
мощность плазмотрона и дистанция напыления,
причем степень этого влияния значительно боль-
ше в условиях напыления сверхзвуковой струей.
3. Для анализа условий процесса напыления
предложены показатели теплосодержания плаз-
менной струи Кт, кВт∙ч/м3 и относительной про-
должительности процесса пребывания частиц в
струе Кt, 10-3с. Установлено, что при сверхзвуко-
вом режиме напыления изменение значений Кт от
2,9 до 5,6 кВт∙ч/м3 приводит к повышению микро-
твердости и плотности покрытий, увеличению со-
держания в структуре фазы (Ti,Cr), снижению сте-
пени выкрашивания.
4. Наилучшие показатели покрытия (Ti, Cr)С–
NiCr достигнуты при использовании мощности
плазмотрона 90 кВт, расхода плазмообразующе-
го газа (воздуха) 24 м3/ч и дистанции напыления
200 мм. В этом случае средняя микротвердость по-
крытия HV0,05 при преобладающей фазе в струк-
туре (Ti, Cr)С составляет 12,6 ГПа, максимальная
19,14 ГПа, пористость <1 %, степень выкрашивания
5 %.
1. Борисов Ю.С., Борисова А.Л. Плазменные порошковые
покрытия. – Киев: Техніка, 1986. – 223 с.
2. Газотермические покрытия из порошковых материалов
(справочник) / Ю.С.Борисов, Ю.А.Харламов, С.Л.Си-
доренко, Е.Н.Ардатовская. – Киев: Наук. думка, 1987. –
544 с.
3. Toma D., Brandtt W. Marginean G. Wear and corrosion of
thermo alloy sprayed cermet coatings // Surface and Coatings
Technology. – 2001. – 138. – P. 149–158.
4. Cr3C2–NiCr and WC–Ni spray coatings as alternatives to hard
chromium for erosion-corrosion resistance / N. Espallargas,
J. Berget, J.M. Guilemany et al. // Ibid. – 2008. – 202. –
P. 1405–1417.
5. Corrosion and wear behavior of HVOF cermet coatings used
to replace hard chromium / L.Fedrizzi, S.Rossi, R.Cristel,
P.L.Bonora // Electrochimica Acta. – 2004. – 49. – P. 2803–
2814.
6. Comparative study of Cr3C2–NiCr coatings obtained by
HVOF and hard chromium coatings / J.M.Guilemany,
N.Espallargas, P.H.Suegama, A.V.Benedett // Corrosion Sci.
– 2006. – 48. – P. 2998–3013.
7. Sahoo P., Raghuraman R. High temperature chromium
carbides reinforced metal matrix composite coatings for
turbomachinery application // Proc. of Thermal Spray Conf.
of TS’93. – Aachen, Germany, 1993. – DVS-Berichte. –
P. 296–300.
8. Takeuchi J., Nakahira A. Cr3C2–NiCr cermet coatings using
some HVOF, APS and UPS process // Ibid. – P. 11–14.
9. Beczkowiak J., Fisher J., Schwier Y. Cermet materials for
HVOF processes // Ibid. – P. 32–36.
10. Powder Solutions Catalog // Praxair Surface Technologies.
USA – 2000. – 17 p.
11. Thermal Spray Materials Guide // Sulzer Metco USA. –
2011. – Issue: Sept. – 52 p.
12. Keller H., Pross E., Schwier G. Influence of the powder type
on the structure and the properties of chromium carbide /
Nickel Chromium, H.C.Starck, Specialist for Specialties. –
2000. – L 11. – 8 p.
13. Войтович Р.Ф., Пугач Э.А. Особенности высокотемпе-
ратурного окисления карбидов переходных металлов VI
группы // Порош. металлургия. – 1973. – № 4. – С. 59–64.
14. Влияние плакирования двойного карбида титана-хрома
на свойства плазменных покрытий / И.Н. Горбатов, Н.С.
Ильченко, А.Е. Терентьев и др. // Физ.-хим. обработка
материалов. – 1991. – № 3. – С. 81–85.
15. Исследование свойств газотермических покрытий из
композиционных порошков никель-карбид титана и хро-
ма / И.Н. Горбатов, В.М. Шкиро, А.Е. Терентьев и др. //
Там же. – 1991. – № 4. – С. 102–106.
16. Газотермические покрытия из композиционных по-
рошков на основе карбида титана–хрома / И.Н. Горбатов,
А.Д. Панасюк, Л.К. Шведова и др. // Защитные покрытия
на металлах. – 1991. – Вып. 25. – С. 22–25.
17. Борисова А.Л., Чернец А.И. Фазовые и структурные пре-
вращения в порошках чистого и плакированного двой-
ного карбида титана–хрома в плазменной струе // Пробл.
СЭМ. – 1993. – № 3. – С. 63– 72.
18. Райцес В.Б., Литвин В.М., Рутберг В.П. и др. Износо-
стойкие плазменные покрытия на основе двойного кар-
бида титана–хрома // Порошк. металлургия. – 1986. –
№ 10. – С. 46–47.
19. Борисов Ю.С., Петров С.В. Использование сверхзвуко-
вых струй в технологии газотермического напыления //
Автомат. сварка. – 1993. – № 1. – С. 24–34.
20. Керметные плазменные покрытия // Неорган. и органо-
силикатные покрытия / Ю.С.Борисов, С.Л.Фишман, В.И.
Юшков и др. – Л.: Наука, 1975. – С. 87–95.
Поступила в редакцию 21.11.2014
|