Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении

Представлены результаты исследования композиционных порошков, полученных способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащих металлический компонент (Ni, NiAl, NiCrBSi) и включения тугоплавких соединений (карбидов титана, хрома, силицида титана, а также оксида алюминия). В сост...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2013
Main Author:	Туник, А.Ю.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Series:	Современная электрометаллургия
Subjects:	Плазменно-дуговая технология
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96683
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:	Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении / А.Ю. Туник // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 2 (111). — С. 23-28. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96683
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-966832025-02-09T22:37:05Z Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении Structure and phase transformations in composite particles proceeding during plasma spraying Туник, А.Ю. Плазменно-дуговая технология Представлены результаты исследования композиционных порошков, полученных способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащих металлический компонент (Ni, NiAl, NiCrBSi) и включения тугоплавких соединений (карбидов титана, хрома, силицида титана, а также оксида алюминия). В состав порошков на основе TiSi₂—Al₂O₃ вводили никель (для повышения пластичности покрытия); NiAl (для повышения жаростойкости); NiCrBSi и TiC (для повышения стойкости против изнашивания при значении температуры 600 °С); Cr₃C₂(для повышения стойкости против износа при значениях температуры до 800… 900 °С). Для исследования процессов, происходящих в композиционных частицах, в период их нагрева и движения в высокотемпературном газовом потоке применен способ жидкостной закалки порошка из газовой фазы. Зафиксированы химический и фазовый состав частиц материала, близкий к имеющемуся в плазменной струе. Установлено, что в результате прохождения частиц через высокотемпературный плазменный поток происходит изменение их формы и фазового состава. Во всех исследуемых порошках под воздействием высоких температур происходит аллотропическое превращение α-Al₂O₃ в γ-Al₂O₃, приводящее к дополнительному увеличению количества γ-фазы. В порошках, содержащих TiSi₂—Al₂O₃ и более легкоплавкие составляющие (Ni, NiAl или NiCrBSi), компоненты исходных композиций разделяются на две группы: первая – TiSi₂—Al₂O₃ с локальным плавлением TiSi₂; вторая – c никельсодержащими компонентами, достигающими полного расплавления и сфероидизации. Дисилицид титана в результате окисления с образованием SiО₂ и частичной потерей кремния превращается в нижние силициды TiSi и Ti₅Si₃. В композициях, содержащих NiCr или сплав NiCrBSi, в процессе окисления образуется NiCr₂О₄. При окислении карбида хрома Cr₃C₂ в результате выгорания углерода в порошке увеличивается количество низших карбидов хрома Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆. Процессы межфазного взаимодействия между компонентами порошка способствуют образованию новых фаз и их последующему окислению с образованием Ti₂Cr₂О₇, Ni₃Ti₂Si и Ni₁₆Ti₆Si₇. Given are the results of investigation of composite powders produced by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), containing a metallic component (Ni, NiAl, NiCrBSi) and inclusions of refractory compounds (carbides of titanium, chromium, silicide of titanium, and also aluminium oxide). The composition of powders on TiSi₂—Al₂O₃ base was added by: nickel (to increase the coating ductility); NiAl (to increase heat resistance), NiCrBSi and TiC (to increase the resistance against wear at temperature values up to 600 °C), Cr₃C₂ (to increase resistance against wear at temperature values of up to 800...900 °C).To investigate the processes, proceeding in composite particles during the period of their heating and motion in high-temperature gas flow, the method of liquid hardening of powder from gas phase was applied. Chemical and phase composition of material particles was fixed, close to that available in plasma jet. It was found that as a result of particles passing through a high-temperature plasma flow the change in their shape and phase composition is occurred. In all the investigated powders the allotropic transformation of α-Al₂O₃ into γ-Al₂O₃ is occurred under the effect of high temperature, leading to additional increase in amount of γ-phase. In powders containing TiSi₂—Al₂O₃ and more fusible components (Ni, NiAl or NiCrBSi), components of initial compositions are divided into two groups: first – TiSi₂—Al₂O₃ with local melting of TiSi₂, second – with nickel-containing elements, reaching the complete melting and spheroidization. Titanium disilicide of titanium is transformed as a result of oxidation with formation of SiO₂ and partial loss of silicon into lower silicides TiSi and Ti₅Si₃. In compositions, containing NiCr of alloy NiCrBSi, NiCr₂О₄ is formed in the process of oxidation. During oxidation of chromium carbide Cr₃C₂ the amount of lower carbides of chromium Cr₇C₃ and Cr₂₃C₆ is increased as a result of carbon burn-out. The processes of interphase interaction between the powder components promote the formation of new phases and their subsequent oxidation with formation of Ti₂Cr₂О₇, Ni₃Ti₂Si and Ni₁₆Ti₆Si₇. 2013 Article Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении / А.Ю. Туник // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 2 (111). — С. 23-28. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96683 669.187.58 ru Современная электрометаллургия application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология
spellingShingle	Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология Туник, А.Ю. Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении Современная электрометаллургия
description	Представлены результаты исследования композиционных порошков, полученных способом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащих металлический компонент (Ni, NiAl, NiCrBSi) и включения тугоплавких соединений (карбидов титана, хрома, силицида титана, а также оксида алюминия). В состав порошков на основе TiSi₂—Al₂O₃ вводили никель (для повышения пластичности покрытия); NiAl (для повышения жаростойкости); NiCrBSi и TiC (для повышения стойкости против изнашивания при значении температуры 600 °С); Cr₃C₂(для повышения стойкости против износа при значениях температуры до 800… 900 °С). Для исследования процессов, происходящих в композиционных частицах, в период их нагрева и движения в высокотемпературном газовом потоке применен способ жидкостной закалки порошка из газовой фазы. Зафиксированы химический и фазовый состав частиц материала, близкий к имеющемуся в плазменной струе. Установлено, что в результате прохождения частиц через высокотемпературный плазменный поток происходит изменение их формы и фазового состава. Во всех исследуемых порошках под воздействием высоких температур происходит аллотропическое превращение α-Al₂O₃ в γ-Al₂O₃, приводящее к дополнительному увеличению количества γ-фазы. В порошках, содержащих TiSi₂—Al₂O₃ и более легкоплавкие составляющие (Ni, NiAl или NiCrBSi), компоненты исходных композиций разделяются на две группы: первая – TiSi₂—Al₂O₃ с локальным плавлением TiSi₂; вторая – c никельсодержащими компонентами, достигающими полного расплавления и сфероидизации. Дисилицид титана в результате окисления с образованием SiО₂ и частичной потерей кремния превращается в нижние силициды TiSi и Ti₅Si₃. В композициях, содержащих NiCr или сплав NiCrBSi, в процессе окисления образуется NiCr₂О₄. При окислении карбида хрома Cr₃C₂ в результате выгорания углерода в порошке увеличивается количество низших карбидов хрома Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆. Процессы межфазного взаимодействия между компонентами порошка способствуют образованию новых фаз и их последующему окислению с образованием Ti₂Cr₂О₇, Ni₃Ti₂Si и Ni₁₆Ti₆Si₇.
format	Article
author	Туник, А.Ю.
author_facet	Туник, А.Ю.
author_sort	Туник, А.Ю.
title	Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении
title_short	Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении
title_full	Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении
title_fullStr	Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении
title_full_unstemmed	Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении
title_sort	структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Плазменно-дуговая технология
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96683
citation_txt	Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении / А.Ю. Туник // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 2 (111). — С. 23-28. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT tunikaû strukturaifazovyeprevraŝeniâvkompozicionnyhčasticahproishodâŝiepriplazmennomnapylenii AT tunikaû structureandphasetransformationsincompositeparticlesproceedingduringplasmaspraying
first_indexed	2025-12-01T11:53:31Z
last_indexed	2025-12-01T11:53:31Z
_version_	1850306737909792768
fulltext	УДК 669.187.58 СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В КОМПОЗИЦИОННЫХ ЧАСТИЦАХ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ А.Ю. Туник Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Представлены результаты исследования композиционных порошков, полученных способом самораспространяюще- гося высокотемпературного синтеза, содержащих металлический компонент (Ni, NiAl, NiCrBSi) и включения ту- гоплавких соединений (карбидов титана, хрома, силицида титана, а также оксида алюминия). В состав порошков на основе TiSi2—Al2O3 вводили никель (для повышения пластичности покрытия); NiAl (для повышения жаростой- кости); NiCrBSi и TiC (для повышения стойкости против изнашивания при значении температуры 600 °С); Cr3C2 (для повышения стойкости против износа при значениях температуры до 800…900 °С). Для исследования процессов, происходящих в композиционных частицах, в период их нагрева и движения в высокотемпературном газовом потоке применен способ жидкостной закалки порошка из газовой фазы. Зафиксированы химический и фазовый состав частиц материала, близкий к имеющемуся в плазменной струе. Установлено, что в результате прохождения частиц через высокотемпературный плазменный поток происходит изменение их формы и фазового состава. Во всех исследуемых порошках под воздействием высоких температур происходит аллотропическое превращение α-Al2O3 в γ-Al2O3, приводящее к дополнительному увеличению количества γ-фазы. В порошках, содержащих TiSi2—Al2O3 и более легкоплавкие составляющие (Ni, NiAl или NiCrBSi), компоненты исходных композиций разделяются на две группы: первая – TiSi2—Al2O3 с локальным плавлением TiSi2; вторая – c никельсодержащими компонентами, достигающими полного расплавления и сфероидизации. Дисилицид титана в результате окисления с образованием SiО2 и частичной потерей кремния превращается в нижние силициды TiSi и Ti5Si3. В композициях, содержащих NiCr или сплав NiCrBSi, в процессе окисления образуется NiCr2О4. При окислении карбида хрома Cr3C2 в результате выгорания углерода в порошке увеличивается количество низших карбидов хрома Cr7C3 и Cr23C6. Процессы меж- фазного взаимодействия между компонентами порошка способствуют образованию новых фаз и их последующему окислению с образованием Ti2Cr2О7, Ni3Ti2Si и Ni16Ti6Si7. Библиогр. 16, табл. 2, ил. 5. Ключ е вы е с л о в а : композиционные порошки; саморас- пространяющийся высокотемпературный синтез; плазмен- ная струя; закалка; морфология; структура; фазовый сос- тав; аллотропическое превращение Плазменно-дуговая технология широко использу- ется в металлургии, сварке, резке, термической об- работке, при получении биметаллических материа- лов путем наплавки или напыления. Особый инте- рес представляет последний процесс, позволяющий создавать биметаллические конструкционные мате- риалы, имеющие особые свойства, с покрытиями, стойкими против износа при высоких температурах. Наиболее полно удовлетворить комплекс требова- ний к таким материалам можно путем создания пок- рытий способом плазменно-дугового напыления из композиционных порошков. Возможностями получения композиционных по- рошков (КП) с широким диапазоном составов ха- рактеризуется способ самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) – процесс перемещения волны химической реакции по смеси реагентов с образованием твердых конечных про- дуктов. СВС представляет собой режим протекания мощной экзотермической реакции, в которой теп- ловыделение локализовано в слое и передается от пласта к пласту путем теплопередачи [1—5]. Хими- ческое превращение при СВС сосредоточено в вы- сокотемпературной зоне, которая возникает в ре- зультате саморазогревания за счет высокой экзотер- мичности процесса синтеза и перемещается в объеме со значительной линейной скоростью благодаря теплопередаче от горячих слоев к холодным. Диа- пазон физических параметров, характеризующих процесс, чрезвычайно широк (температура 300…4000 °С, линейная скорость 0,1…30,0 см/с, скорость нагревания вещества 1⋅102…1⋅106 °С/с) [2]. К областям техники, где процесс СВС находит практическое применение, относится технология нанесения покрытий способами напыления и нап- лавки [6—10]. Низкотемпературная плазма (источник энергии, генерируемой в плазмотроне) имеет некоторые ха- рактерные особенности. Довольно большая энер- гия, концентрируемая в малом объеме, позволяет нагревать газ до температуры (4…5)⋅104 °С. Ис- пользуя различные газовые смеси, можно создавать окислительную, восстановительную или нейтраль-© А.Ю. ТУНИК, 2013 23 ную атмосферу и, таким образом, влиять на ре- акции, протекающие в плазме. Управление плаз- менной струей позволяет организовать ее поток на подложку, которая может находиться в любом прос- транственном положении. Для плазменно-дугового напыления представля- ют интерес многие порошки, получаемые способом СВС: нитриды титана, тантала, циркония, гафния и др.; карбиды титана, вольфрама, титана-хрома и др.; бориды титана, титана—хрома; силициды и сульфиды молибдена, разнообразные оксиды. Спе- цифика СВС обеспечивает возможность изготовле- ния ряда композиционных порошков, среди кото- рых можно отметить такие композиции, как карбид хрома—оксид алюминия, карбид титана—феррох- ром, карбид хрома—нихром. Покрытия из этих по- рошков отличаются высокой износо-, жаро- и тер- мостойкостью [11,12]. Композиционные порошки, полученные таким образом при плазменно-дуговом нанесении покрытия на подложку, проходят через высокотемпературную область плазменной струи, где претерпевают не только нагрев, но и расплав- ление. Соединения, входящие в состав порошков, могут частично диссоциировать и, наоборот, обра- зовывать новые соединения и фазы. Материалы исследования и методики эксперимен- та. В качестве объектов исследования выбраны ком- позиции на основе TiSi2—Al2O3. В композиции ди- силицид титана—оксид алюминия соотношение твердости компонентов составляет 0,35…0,36, что соответствует требованиям к эрозионностойким ма- териалам [13]. Высокая стойкость компонентов про- тив окисления при 800…1000 °С дает возможность применять такой материал в качестве жаростойкого. С целью получения покрытий с заданными свойствами использовали введение в состав компо- зиционного порошка на основе TiSi2—Al2O3 следу- ющих дополнительных компонентов: Ni – для по- вышения пластичности покрытия; NiAl – для по- вышения жаростойкости; NiCrBSi и TiС для повы- шения стойкости против изнашивания при темпе- ратурах 600 °С; Cr3C2 – для повышения стойкости против изнашивания при температурах до 800… ...900 °С. В табл. 1 приведен состав композиционных по- рошков, в табл. 2 – основные физические харак- теристики КП и их компонентов. При этом содер- жание металлической связки в большинстве случаев составляет 10…11 об. %, а в композиции с NiCrB- Si – 28 об. %. Компоненты композиционных порошков имеют разную плотность и большое различие в темпера- турах плавления. Наиболее тугоплавкими являются оксид алюминия (Al2O3 – Tпл = 2050 °С) и карбиды (TiC – Tпл = 2780 °С; Cr3C2 – Tпл = 1830 °С); более легкоплавкие – силицид титана и содержа- щие никель металлические составляющие [14]. Ус- редненное по массе значение плотности исследуе- мых порошков составляет 4,3…4,9 г/см3, что в 1,22…1,42 раза выше плотности основного туго- плавкого компонента Al2O3. В связи с этим можно предположить, что плавление Al2O3 в составе час- тиц КП при плазменном напылении может проис- ходить при меньших значениях энергии высокотем- пературного газового потока, чем обычно, за счет снижения скорости движения частиц в струе и про- должительности процесса нагрева [15, 16]. В ходе исследований применили комплексную методику, включающую металлографию (оптичес- кий микроскоп «Неофот-32» с пристройкой для цифрового фотографирования); микродюрометрию (микротвердомер М-400 LECO с автоматической системой нагружения); растровую электронную микроскопию (РЭМ) (сканирующий электронный микроскоп JSM-840). Рентгеноструктурный фазо- вый анализ (РСФА) выполняли на дифрактометре ДРОН-УМ1 в монохроматизированном излучении CuKα и CоKα. Определяли технологические свой- ства порошков (текучесть и насыпную плотность) согласно ГОСТ 20899—75 и ГОСТ 19440—74. Для исследователей и инженеров представляет интерес тот фазовый состав, который частицы по- рошка имеют на выходе из сопла плазмотрона. С целью изучения структуры, морфологии и фазового состава частиц применили способ жидкостной за- калки порошка из газовой фазы. Плазмотрон кос- венного действия располагали над емкостью с жид- ким охлаждением. Плазменная струя, в которую добавляли порошок изучаемого материала, направ- ляли таким образом, чтобы частицы материала по- падали в емкость (рис. 1). Такой способ позволяет зафиксировать химический и фазовый составы час- тиц материала, аналогичный тому, который они имеют в плазменной струе. В качестве охлаждающей (закалочной среды) использовали воду, которая является эффективным охладителем благодаря тому, что одновременно ох- ватывает всю поверхность материала и хорошо от- Т а б л и ц а 1 . Состав КП, мас. % Композиция * TiSi2 Al2O3 NiCrBSi Сr3С2 Ni TiC NiAl TiSi2—Al2O3—NiCrBSi 35/43 20/28,2 45/28,8 — — — — TiSi2—Al2O3—Cr3C2—Ni 37/39,4 40/49 — 3/1,9 20/9,7 — — TiSi2—Al2O3—TiC—Cr3C2—NiAl 25/26,9 34/42 — 10/6,5 — 15/13,1 16/11,5 Порошки изготовлены в государственном научно-техническом центре «Дельта», г. Тбилиси (Грузия). 24 водит тепло. Даже возможное образование пара не снижает теплопроводности пароводяной смеси. Эксперимент осуществляли на плазменной уста- новке УПУ-8М. Технологические режимы соответ- ствовали режимам формирования плазменных пок- рытий (I = 450…500 А; U = 40…55 В). В качестве плазмообразующего газа использовали аргоно-азот- ную смесь (Ar = 27 л/мин, N2 = 3,5 л/мин). Азот добавляли для повышения энергии газовой смеси. Исследуемые порошки (dч = 80…40 мкм) вводили в плазменную струю, где они плавились и распы- лялись, приобретая скорость примерно 100…200 м/с. Порошки, уловленные в воду, про- сушивали в сушильном шкафу при T = 90…100 °С. Обсуждение результатов исследования. Исход- ные порошки, исследуемые в работе, были изготов- лены способом СВС в государственном научно-тех- ническом центре «Дельта», г. Тбилиси (Грузия). Продукт СВС представлял собой спекшуюся бес- форменную массу, которую подвергали механичес- кому измельчению и рассеву на виброситах для вы- деления частиц нужного размера (40…100 мкм). Изучение морфологии и структуры частиц исход- ных порошков, полученных способом СВС (рис. 2), показало, что они имеют неправильную осколочную форму и гетерогенную внутреннюю структуру, представляющую собой конгломерат от- дельных фазовых составляющих. По результатам РСФА фазовый состав порошков СВС незначитель- но отличался от расчетного, в них обнаружены сле- ды оксидов и (или) непрореагировавших остатков исходной шихты (табл. 2). Все порошки характе- ризуются текучестью на уровне 25…45 с/50 г. В объеме частиц композиционного порошка в ходе его нагрева и движения в высокотемператур- ном газовом потоке происходят следующие процес- сы: расплавление одного из компонентов, смачива- ние им поверхности других компонентов; растека- ние или сворачивание в каплю массы образовавше- гося расплава; взаимодействие частиц компонентов с образованием новых фаз; взаимодействие частиц порошка с внешней средой и компонентами газового потока (или окружающей атмосферой). Характе- ристика частиц исходных композиционных порош- ков и уловленных из плазменной струи приведена в табл. 2. Порошок TiSi2—Al2O3—NiCrBSi (рис. 3), улов- ленный после прохождения через плазменную струю, состоит из частиц двух типов – неправиль- ной (1) и сферической (2, 3) формы. Поверхность частиц неправильной формы покрыта мелкими кап- лями расплава и имеет гладкие участки, что явля- ется результатом частичного сворачивания пленки Рис. 1. Схема плазмотрона косвенного действия: 1 – подача плазмообразующего газа; 2 – катод; 3 – электродуговой раз- ряд; 4 – струя газопорошковой смеси; 5 – емкость с водой; 6 – подача порошка; 7 – анод Т а б л и ц а 2 . Характеристика КП Номер формулы Состав порошка Расчетный фазо- вый состав, мас. % Насыпная плотность, г/см 3 Результаты изучения РСФА исходных частиц частиц, уловленных из плазменной струи 1 TiSi2⋅Al2O3⋅NiCrВSi TiSi2 ~ 35 Al2O3 ~ 20 NiCrBSi ~ 45 2,61 Ni16Cr6Si7, Ni, TiSi2, γ-Al2O3 Ni, Ni16Ti6Si7, γ-Al2O3, α-Al2O3, Ti5Si3, TiSi2, следы NiCr2О4 2 TiSi2⋅Al2O3⋅NiрCr3C2 TiSi2 ~ 43 Al2O3 ~ 36 Cr3C2 ~ 5 Ni ~ 16 3,09 TiSi2, α-Al2O3, Ni, Cr3C2, следы Si γ-Al2O3, α-Al2O3 TiSi2, Ni, Cr7C3, Ni3Ti2Si, TiSi, следы NiО 3 TiSi2⋅Al2O3⋅NiAl⋅Cr3C2⋅TiC TiSi2 ~ 17 Al2O3 ~ 25 Cr3C2 ~ 28 NiAl ~ 20 TiC ~ 10 2,42 α-Al2O3, Cr3C2, TiSi2, TiC, NiAl, Ni3Al, следы Cr7C3 γ-Al2O3, α-Al2O3, NiAl, Cr23C6, TiSi2, TiC, Cr3С2, следы Ni2Al18O29, Тi2Cr2О7 *Фазы расположены в порядке убывания интенсивности рентгеновских отражений. 25 расплава на поверхности частицы (рис. 2, б). Это является результатом межфазного взаимодействия в объеме частицы таких компонентов, как TiSi2 и Al2O3, на стадии плавления TiSi2 при сохранении Al2O3 в твердом состоянии. Согласно данным РСМА сферические (2) и округлые частицы в фор- ме двух спаянных полусфер (3) представляют собой наиболее легкоплавкий (около 1000 °С) компонент сплава NiCrBSi, который выделяется из объема композиционной частицы. В случае частичного ле- гирования его при взаимодействии с TiSi2 происхо- дит превращение сферы в фигуру, состоящую из Рис. 2. Внешний вид (а, в, д) и микроструктура (б, г, е) частиц КП: а, б – TiSi2—Al2O3—NiCrBSi; в, г – TiSi2—Al2O3—Cr3C2—Ni; д, е – TiSi2⋅Al2O3⋅TiC⋅Cr3C2⋅NiAl Рис. 3. Внешний вид частиц (1—3) КП TiSi2—Al2O3—NiCrBSi, уловленных из плазменной струи 26 двух сферических образований, соединенных меж- ду собой (матрешка) с разделением объемов, содер- жащих разное количество титана. Сферические час- тицы представляют собой сплав на никелевой осно- ве, а частицы с признаками локального плавления состоят в основном из TiSi2 и Al2O3. При исследовании порошка TiSi2—Al2O3—Cr3С2— Ni (рис. 4) обнаружено, что наряду с частицами, имеющими признаки локального оплавления повер- хности (1), в уловленном порошке присутствует значительное количество сфероидизированных час- тичек (2), прошедших фазу полного плавления. Они имеют форму как правильных сфер, так и «мат- решек» (3). В этом случае происходит межфазное взаимодействие в двух парах компонентов TiSi2— Al2O3 и Cr3C2—Ni. В первом случае наличие титана способствует улучшению смачиваемости поверхности Al2O3, во втором – растекание никеля по поверхности Cr3C2 еще значительнее. Краевой угол смачивания Cr3C2 расплавом никеля равняется 0°, взаимодействие ни- келя и Cr3C2 протекает очень быстро с образованием эвтектики. «Матрешки» содержат в себе продукт этих двух типов взаимодействия. Соответственно по данным РСМА «матрешка» состоит из TiSi2— Al2O3 (4) и Ni—Cr3C2 (5). Исследуемый порошок TiSi2—Al2O3—TiC— Cr3C2—NiAl (рис. 5) содержит наибольшее количес- тво тугоплавких компонентов (Al2O3 – 42 и TiC – 13 об. %) в сочетании с низкой плотностью (4,32 г/см3). Это затрудняет обеспечение достаточ- ного прогрева частиц в условиях плазменного на- пыления. Большинство уловленных из плазменного потока частиц имеет неправильную форму с различ- ной степенью локального оплавления поверхности (1). Сферические частицы (2), согласно результа- там анализа, являются в основном продуктом вза- имодействия NiAl и Cr3C2. «Матрешки» совмещают в своем объеме продукты взаимодействия TiSi2— Al2O3 (3) и NiAl—Cr3C2—TiC (4). В процессе нагрева частиц в плазменном потоке в основном происходит разделение компонентов ис- ходных композиций на две группы: TiSi2—Al2O3 с локальным плавлением TiSi2; полного плавления и сфероидизации металлической составляющей (ни- кель, NiAl и NiCrBSi). Выводы 1. В результате прохождения через высокотемпера- турный плазменный поток композиционных час- тиц, полученных способом СВС, происходит изме- нение их формы и фазового состава. 2. Во всех исследуемых порошках под воздейс- твием высоких температур имеет место аллотропи- ческое превращение α-Al2O3 в γ-Al2O3, приводящее к дополнительному увеличению количества γ-фазы. 3. В порошках, содержащих TiSi2—Al2O3 и более лег- коплавкие составляющие (никель, NiAl или NiCrBSi), происходит разделение компонентов исходных ком- позиций на две группы: TiSi2—Al2O3 с локальным плавлением TiSi2; никельсодержащие компоненты, достигающие полного расплавления и сфероиди- зации. 4. Дисилицид титана в результате окисления с образованием SiО2 и частичной потерей кремния превращается в нижние силициды TiSi и Ti5Si3. В композициях, содержащих NiCr или сплав NiCrBSi, в результате окисления образуется NiCr2О4. 5. При окислении карбида хрома Cr3С2 в резуль- тате выгорания углерода в порошке увеличивается количество низших карбидов хрома Cr7C3 и Cr23C6. Рис. 4. Внешний вид частиц (1—5) КП TiSi2—Al2O3—Cr3C2—Ni, уловленных из плазменной струи Рис. 5. Внешний вид частиц (1—4) КП TiSi2—Al2O3—TiC—Cr3C2—NiAl, уловленных из плазменной струи 27 6. Процессы межфазного взаимодействия между компонентами порошка способствуют образованию новых фаз и их последующему окислению с обра- зованием Ti2Cr2О7, Ni3Ti2Si и Ni16Ti6Si7. 7. Использование дугового плазмотрона как плазмохимического реактора позволяет управлять фазовым составом частиц и корректировать состав напыляемого защитного слоя при производстве би- металлических материалов и полуфабрикатов изде- лий специального назначения. 1. Смирнов И.И., Бендерская Л.А. Самораспространяющий- ся высокотемпературный синтез. – Красноярск, 1990. – 80 с. 2. Боровинская И.П. Химические основы технологии СВС- продуктов // Самораспространяющийся высокотемпера- турный синтез: Сб. тр. – Томск, 1991. – С. 33—55. 3. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпера- турный синтез: двадцать лет поисков и находок. – Чер- ноголовка: ОИХФ АН СССР, 1989. – 93 с. 4. Итин И.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. – Томск, 1989. – 214 с. 5. Шаривкер С.Ю., Мержанов А.Г. СВС-порошки и их тех- нологическая переработка. – Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 2000. – 123 с. 6. Веприк Б.А., Курылев М.В., Коренков В.А. Структура покрытий из СВС композита – Cr—Al2O3 // Сверхтвер- дые и композиционные материалы и покрытия, их приме- нение. – 1991. – № 1. – С. 57—59. 7. Евстигнеев В.В., Вольпе Б.М., Милюкова И.В. Интег- ральные технологии распространяющегося высокотемпера- турного синтеза. – М.: Высш. шк., 1996. – 284 с. 8. Юхвид В.И. СВС-металлургия: литье и наплавка // Технология. Сер. Оборудование, материалы, процес- сы. – М.: Металлургия, 1988. – С. 57—64. 9. Borisov Yu., Borisova A., Shvedova L. Transition Metal – Nonmetallic Refractory Compound Composite Powders for Thermal Spraying // Proc. of ITSC—86 (Montreal, Cana- da, Sept. 8—12, 1986). – Montreal, 1986. – P. 323—330. 10. Self propagating high temperature synthesis (SHS) of ther- mal spray powders / R. W. Smith, M. Mohanty, E. Shtes- sel, A. Verstak // Proc. of ITSC—95 (Kobe, Japan, May 22—26, 1995). – Kobe, 1995. – P. 1121—1126. 11. Борисов Ю.С., Борисова А.Л. Плазменные порошковые покрытия. – Киев: Техника, 1986. – 221 с. 12. Titanium carbide in wear resistant coatings / P. Vitiaz, A. Verstak, T. Azarova et. al. // Proc. of NTSC—96 (Cin- cinnatti, USA, Oct. 7—11, 1996). – Cincinnatti, 1996. – P. 169—176. 13. Газотермическое напыление композиционных порошков / А.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, А.С. Мунухин, М.Д. Ни- китин. – Л.: Машиностроение, 1985. – 197 с. 14. Нагрів та плавлення частинок порошку в плазмовому струмені / А.Ю. Андрейцев, І.В. Смирнов, А.В. Чорний та ін. // Математичне та комп’ютерне моделювання. Сер. Технічні науки, 2011. – Вип. 5. – С. 3—10. 15. Энциклопедия неорганических материалов. – В 2 т. – Киев: Укр. сов. энциклопедия, 1977. – 813 с. 16. Федорченко И.М., Пугина М.И. Композиционные спе- ченные антифрикционные материалы. – Киев: Наук. думка, 1980. – 404 с. Given are the results of investigation of composite powders produced by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), containing a metallic component (Ni, NiAl, NiCrBSi) and inclusions of refractory compounds (carbides of titanium, chromium, silicide of titanium, and also aluminium oxide). The composition of powders on TiSi2—Al2O3 base was added by: nickel (to increase the coating ductility); NiAl (to increase heat resistance), NiCrBSi and TiC (to increase the resistance against wear at temperature values up to 600 °C), Cr3C2 (to increase resistance against wear at temperature values of up to 800...900 °C).To investigate the processes, proceeding in composite particles during the period of their heating and motion in high-temperature gas flow, the method of liquid hardening of powder from gas phase was applied. Chemical and phase composition of material particles was fixed, close to that available in plasma jet. It was found that as a result of particles passing through a high-temperature plasma flow the change in their shape and phase composition is occurred. In all the investigated powders the allotropic transformation of α-Al2O3 into γ-Al2O3 is occurred under the effect of high temperature, leading to additional increase in amount of γ-phase. In powders containing TiSi2—Al2O3 and more fusible components (Ni, NiAl or NiCrBSi), components of initial compositions are divided into two groups: first – TiSi2—Al2O3 with local melting of TiSi2, second – with nickel-containing elements, reaching the complete melting and spheroidization. Titanium disilicide of titanium is transformed as a result of oxidation with formation of SiO2 and partial loss of silicon into lower silicides TiSi and Ti5Si3. In compositions, containing NiCr of alloy NiCrBSi, NiCr2O4 is formed in the process of oxidation. During oxidation of chromium carbide Cr3C2 the amount of lower carbides of chromium Cr7C3 and Cr23C6 is increased as a result of carbon burn-out. The processes of interphase interaction between the powder components promote the formation of new phases and their subsequent oxidation with formation of Ti2Cr2O7, Ni3Ti2Si and Ni16Ti6Si7. Ref. 16, Tables 2, Figs. 5. K e y w o r d s : composite powders; self-propagating high-temperature synthesis; plasma jet; hardening, morphology; structure; phase composition; allotropic transformation Поступила 25.02.2013 28

Структура и фазовые превращения в композиционных частицах, происходящие при плазменном напылении

Institution

Similar Items