Введение 9
Глава I. Обзор научной и научно-технической литературы и
патентов 13
1.1 Слоистые композиты и их получение 13
1.1.1 Способы получения интерметаллидов и интерметаллидных
соединений. Области применения интерметаллидов 13
1.1.2 Условия образования интерметаллидов между разнородными
металлами и сплавами при твердофазном взаимодействии 14
1.1.3 Условия образования интерметаллидов между разнородными
металлами и сплавами при жидкофазном взаимодействии 17
1.2 Анализ способов получения покрытий на основе купридов титана. 21
1.2.1 Диффузионная металлизация 22
1.2.2 Метод электроискрового осаждения с последующей лазерной
обработкой 25
1.2.3 Метод электролитического осаждения с последующим
диффузионным отжигом 27
1.2.4 Метод самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза 29
1.2.5 Аргонодуговая наплавка неплавящимся электродом 31
1.2.6 Воздействие компрессионных плазменных потоков 41
1.2.7 Сварка взрывом 45
1.2.8 Особенности соединений, полученных сваркой взрывом 49
Выводы к первой главе и постановка задач исследования 51
Глава II. Материалы, оборудование и методы исследования 53
2.1 Исследуемые материалы 53
2.1.1 Титан ВТ1-0 и его свойства 53
2.1.2 Медь М1 и ее свойства 54
2.1.3 Медно-никелевый сплав МН19 и его свойства 56
2.1.4 Медно-никелевый сплав МН45 и его свойства 57
2.2 Система титан-медь и ее диаграмма состояния 59
2.3 Диаграмма состояния медь-никель 60
2.4 Диаграмма состояния титан-никель 62
2.5 Диаграмма состояния Ti-Cu-Ni 63
2.6 Оборудование и методы исследования 64
2.6.1 Получение заготовок сваркой взрывом 64
2.6.2 Методика проведения термической обработки 68
2.6.3 Приготовление шлифов 69
2.6.4 Методика исследования микроструктуры 70
2.6.5 Исследование фазового состава покрытий 71
2.6.5.1 Рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении
дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке 71
2. 6.5.2 Рентгеновский энергодисперсионный микроанализ 73
2.6.6 Методы определения трибологических характеристик
исследуемых материалов 74
2.6.6.1 Испытания образцов с покрытием на стойкость к абразивному изнашиванию 75
2.6.6.2 Исследования твердости и износостойкости на
универсальной машине для механических испытаний Nanotest 600 (Micro Materials Ltd., U.K.) 77
2.6.7 Измерение микротвердости 81
Выводы ко второй главе 83
Глава III. Исследование влияния состава диффузионных покрытий на основе купридов титана на износостойкость 84
3.1 Сварка взрывом. Структура микротвердость 84
3.2 Диффузионные процессы в твердой фазе 85
3.3 Диффузионные процессы при контактном плавлении 86
3.4 Исследование триботехнических свойств металло-
интерметаллидных покрытий на основе систем Ti - Cu и Ti - Cu - Ni 100
3.4.1 Испытание покрытий на стойкость к абразивному
изнашиванию 100
3.4.2 Испытание покрытий на износостойкость царапанием 103
Выводы к третьей главе 106
Заключение 108
Библиографический список использованной литературы 110
Повышение срока службы деталей из меди и титановых сплавов, работающих в условиях повышенного износа и высоких температур, является актуальной задачей в современном материаловедении.
Одним из перспективных способов решения данной проблемы является нанесение на поверхность деталей покрытий на основе купридов титана, имеющих высокие показатели износостойкости. Покрытия на основе купридов титана обладают высокой жаростойкостью и износостойкостью, а также способны работать в условиях агрессивных сред [1].
В настоящее время существует множество способов получения покрытий на основе купридов титана: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), насыщение в порошковых средах, лазерная обработка (ЛО), воздействие компрессионных плазменных потоков, сварка взрывом (СВ), электролитическое осаждение с последующей термической обработкой (ТО) и электроискровое осаждение с лазерной обработкой, аргонодуговая наплавка купридов титана и т.д.
Учитывая преимущества и недостатки существующих способов получения покрытий из купридов титана на поверхности титановых изделий, сформированных из слоистого композиционного материала (СКМ) систем Ti-Cu и Ti-Cu-Ni [2], была предложена сварка взрывом [1].
Актуальность исследований заключается в недостаточной изученности структурно-фазовых превращений, а также разрозненным объемом сведений о влиянии формирующихся структур на свойства покрытий; прежде всего - триботехнические.
Таким образом, целью работы является исследование взаимосвязи триботехнических свойств слоистых композиционных систем с покрытиями на основе систем Ti-Cu и Ti-Cu-Ni со структурой составляющих слоев, полученных в результате температурного воздействия по режиму контактного плавления (КП).
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. На основе литературных данных рассмотреть основные способы получения купридов титана, изучить механизмы формирования покрытий на основе купридов титана при ТО, и влияние ТО на фазовый состав. Обосновать выбор метода получения СКМ, предшествующим формированию при ТО покрытий: сварки взрывом.
2. Привести методики исследований и применяемое оборудование, а также способы обработки полученных результатов. Выбрать режимы СВ и температурного воздействия. Описать методики металлографического анализа, микромеханических испытаний и качественного фазового анализа покрытий на основе купридов титана. Освоить методики определения износостойкости формируемых покрытий.
3. Исследовать диффузионные процессы изучаемых бинарной (Ti-Cu) и легированных систем (Ti-Cu-Ni) как в твердой фазе, так и в условиях КП.
4. Изучить взаимосвязь степени легирования никелем получаемых покрытий на основе купридов титана на их формируемую структуру и микротвердость.
5. Определить триботехнические характеристики формируемых покрытий на основе систем Ti-Cu и Ti-Cu-Ni.
В первой главе: приведен краткий литературный обзор данных о способах получения купридов титана, а также их фазовый состав и твердость.
Во второй главе: рассмотрены свойства исходных материалов, выбраны методики испытаний.
В третьей главе: приведены результаты исследования.
В заключении: приведены выводы, отражающие основные результаты работы.
Материалы диссертации докладывались на:
• Смотр-конкурс научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского государственного технического университета
10
(г. Волгоград, 13-17 мая 2019 г.).
• XXIV Региональная конференция молодых учёных и исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 3-6 декабря 2019 г.).
• Смотр-конкурс научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 19-22 мая 2020 г.).
Результаты исследований по теме магистерской работы опубликованы в 4 печатных работах:
1. Мансков, К.С. Исследование процесса твердофазного взаимодействия на
межслойной границе сваренных взрывом соединений титана ВТ 1-0 со сплавами МН19 и МН45 / К.С. Мансков, А.Н. Романов // Смотр-конкурс научных, конструкторских и технологических работ студентов
Волгоградского государственного технического университета (г.
Волгоград, 13-17 мая 2019 г.) : тез. докл. / редкол.: С. В. Кузьмин (отв. ред.) [и др.] ; Волгоградский гос. техн. ун-т, Совет СНТО. - Волгоград, 2019. - C. 83.
2. Формирование диффузионной прослойки при лазерном нагреве композита медь-титан / В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, А.Г. Серов, А.Н. Романов // Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. - Волгоград, 2019. - № 6 (229) Июнь. - C. 11-14.
3. Кузнецов, С.А. Оценка износостойкости покрытий системы Ti-Cu, полученного лазерным легированием поверхности титана / С.А. Кузнецов, А.Н. Романов, А.В. Малых // XXIV Региональная конференция молодых учёных и исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 3-6 декабря 2019 г.) : сб. материалов конф. / редкол.: С. В. Кузьмин (отв. ред.) [и др.] ; Комитет образования, науки и молодёжной политики Волгоградской обл., ГБУ ВО «Центр молодёжной политики», Волгоградский гос. технический ун-т. - Волгоград, 2020. - C. 203.
4. Кузнецов, С.А. Исследование износостойкости при абразивном износе металло-интерметаллидных покрытий на основе систем Ti-Cu и Ti - Cu - Ni / С.А. Кузнецов, А.Н. Романов // Смотр-конкурс научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 19-22 мая 2020 г.) : тез. докл. / редкол.: С. В. Кузьмин (отв. ред.) [и др.] ;
Волгоградский гос. техн. ун-т, Совет СНТО. - Волгоград, 2020 - (В ПЕЧАТИ).
Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и композиционные материалы» Волгоградского государственного технического университета.
1. При анализе литературных данных были рассмотрены основные способы получения покрытий на основе купридов титана. Из рассмотренных способов нанесения покрытий, одним из перспективных, является предложенный на кафедре «Материаловедение и композиционные материалы» ВолгГТУ комплексный технологический процесс формирования покрытий на титановых сплавах из купридов титана, который основан на получении сваркой взрывом биметаллической заготовки и последующей ее термической обработке на режимах, обеспечивающих формирование беспористых, обладающих высокой прочностью сцепления с защищаемой основой из титановых сплавов металло - интерметаллидного покрытия с заданными свойствами. Выявлено, что оптимизация свойств покрытий из купридов титана достигается путем установления наиболее эффективных режимов при ТО и при легировании бинарной системы Cu-Ti, в частности, никелем.
2. В работе подробно изложены исследуемые материалы и приведены диаграммы состояния бинарной (Cu-Ti) и тройной (Cu-Ti-Ni) систем. Описаны методики исследований (металлографический анализ, микромеханические испытания, качественней фазовый анализ покрытий, методы определения трибологических характеристик исследуемых материалов) и применяемое оборудование. Выбраны режимы сварки взрывом и высокотемпературной термообработки для формирования покрытий.
3. Сопоставление экспериментальных данных по изучению процессов диффузии в бинарных системах как в твердой фазе, так и при контактном плавлении с ранее выполненными на кафедре «Материаловедение и композиционные материалы» ВолгГТУ исследованиями, показал, что замена чистой меди на медно-никелевые сплавы оказывает ощутимое влияние как на структуру и фазовый состав получаемой диффузионной зоны, так и на температуру реализации контактного плавления.
4. При испытаниях на абразивное изнашивание при 20 °С впервые установлено, что износостойкость покрытий системы Cu-Ti (ВТ1-0+М1) в 1,8 раза выше, чем у титанового сплава ВТ1-0. С повышением степени легирования никелем, износостойкость покрытий повышается до 1,9 раза (ВТ1-0+МН19) и до 2,1 раза (ВТ1-0+МН45), соответственно. С повышением температуры испытаний до 200 °С износостойкость покрытий системы Cu - Ti и Ti - Cu - Ni также выше, чем у титанового сплава ВТ1-0. Выявленная тенденция сохраняется при более высоких температурах испытания на абразивный износ, однако при 600 °С происходит снижение относительной износостойкости интерметаллидных покрытий: минимальное значение показывает ВТ1-0+М1 - 1,26, а максимальное значение у покрытия ВТ1-0+МН45 - 1,36.
5. Испытания покрытий на износостойкость методом царапания косвенно подтверждают результаты, полученные при испытаниях этих покрытий в условиях абразивного износа. Так, наибольшие значения микротвердости были получены в покрытиях ВТ1-0 + МН19, ВТ1-0 + МН45: при прочих равных условиях, их микротвердость на - 1 ГПа выше, чем в покрытиях, сформированных из бинарной системы (ВТ1-0 + М1) и почти в 2 раза выше твердости титана ВТ1-0. Микромеханические свойства покрытий в диапазоне 20¬400 °С практически не зависят от температуры испытания. Относительная (в сравнении с ВТ1-0) износостойкость, рассчитанная по отношению глубин проседания индентора в поверхность титановых образцов и в поверхность покрытий, для нелегированных равна 1,7, а для легированных никелем 2,2^2,4.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
