Структура и свойства защитных покрытий, нанесенных комбинированным способом

На стальных образцах подложки и некоторых образцах гибридных покрытий проводилось  измерение тока потенциальных отношений (зависимость тока коррозии (i_кор) от потенциала коррозии (Е_кор)). При потенциале коррозии 250 мВ наблюдается заметное увеличение тока коррозии подложки (до 5мА), что впоследствии приводит к полному разрушению поверхности материала. Заметное уменьшение потенциала коррозии и плотности тока коррозии наблюдается на исходных образцах серии №4 (покрытие без оплавления электронным пучком подслоя оксида алюминия). Но длительное нахождение этих покрытий в агрессивной среде в конце концов приводит к их разрушению за счет слабой адгезии. Считаем, что замедление коррозионного процесса обусловлено именно увеличением их толщины путём добавления слоя нитрида титана.

Положительные результаты исследований были получены только после модификации поверхности  покрытий концентрированными потоками энергии. Исследования проводились  на оплавленных электронным пучком покрытиях из оксида алюминия и Al₂O₃+TiN на подложке из нержавеющей стали. Ряд полученных результатов, характеризующих антикоррозионные свойства покрытий, представлены в таблице 2. Их анализ свидетельствует о повышении стойкости материала к коррозии в растворе серной кислоты в случаях оплавления поверхности электронным пучком.

Предполагаем, что  понижение Е_кор, i_кор и i_пас связано с уменьшением сквозных пор в подслое из оксида алюминия под влиянием термического отжига поверхности электронным пучком. Наблюдается также заметное улучшение коррозионных свойств покрытия при увеличении длительности его оплавления.

Выводы

Установлено, что  формирование гибридных покрытий (Al₂O₃/Cr/TiN, Al₂O₃/TiN), нанесенных комбинированным способом на подложку из нержавеющей стали, имеет ряд характерных особенностей:

1 Выбранные методы  и режимы модификации поверхности  нержавеющей стали приводят к  получению тонких (до 60 мкм) защитных  покрытий с явно выраженной  морфологией. Вакуумно-дуговое осаждение  пленок Cr и Ti (толщина 2,5 мкм) не приводит к полному заполнению впадин поверхности выбранными пассивирующими элементами. Применение электронного пучка для оплавления подслоя из оксида алюминия сопровождается заплавлением неоднородностей порошкового слоя керамики и формированием более гладкого рельефа с локальным насыщением поверхности мелкими округлыми включениями. Построчный электронно-лучевой отжиг покрытий Al₂O₃/Cr/TiN привёл к формированию поверхности с полосчатой макроструктурой. Области непосредственного и интегрального электронного теплового упрочнения имеют сильно различный рельеф поверхности. Электронное оплавление покрытия сопровождается его явным спеканием с образованием гладкой поверхности, на которой в наличии имеются кратеры размером от 2 до 16 мкм. Дуплексное оплавление покрытий Al₂O₃/TiN влечет за собой полное изменение морфологии поверхности материала в сравнении с исходным состоянием. Наблюдаются значительное уменьшение шероховатости и образование более сглаженной поверхностной структуры.

2 Проведенные  различными методами исследования элементного состава (микроанализ, РОР, оже-электронная спектроскопия) гибридных покрытий показали, что составными элементами поверхности являются Ti, N, C, O и Al. По поверхности покрытия наблюдается неравномерное перераспределение элементов Ti и Al. Считаем, что появление углерода в составе покрытий обусловлено его наличием в газовой атмосфере плазмотрона во время плазменно-детонационного осаждения подслоя из оксида алюминия. Полученные результаты показали, что электронно-лучевой отжиг покрытий сопровождается более однородным перераспределением элементов по поверхности с одновременной диффузией титана и азота вглубь гибридного покрытия и продвижением алюминия и кислорода в приповерхностные области. Дуплексное оплавление поверхности стимулирует процессы массопереноса этих элементов в указанном направлении.

3 Исследование  фазового состава гибридных покрытий  показало, что они являются многофазными  соединениями. Наряду с основной  фазой порошка корунда в покрытии  присутствует оксид алюминия (в виде трёх модификаций , , ). Обнаружены также TiN и Сr. Можно сказать, что плазменно-детонационное осаждение порошка (при выбранных режимах модификации) сопровождается рядом фазовых переходов , в исходном материале порошка в процессе его оплавления. Непосредственный электронно-лучевой отжиг подслоя окиси алюминия и построчное сканирование поверхности электронным пучком приводят к частичному восстановлению - фазы (от 60 до 90вес. %) за счет уменьшения процентного содержания и фаз. Выбранные режимы повторного оплавления покрытий Al₂O₃/TiN обуславливают прохождение полиморфных превращений типа и , что влечет за собой увеличение в покрытии - фазы от 27 вес. % до 34 вес. % с одновременным уменьшением -фазы от 56 до 50 вес. %.

4 Исследование  коррозионных свойств покрытий Al₂O₃/Cr/TiN свидетельствует о положительном влиянии электронного оплавление на стойкость к коррозии в растворе серной кислоты при повышенных температурах.

Список  литературы

Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н. Импульсно-плазменная модификация свойств поверхности и нанесение покрытий // Успехи физики металлов. - 2003. - Т. 4, №1. - С. 1-72.

Беликова А.Ф., Булаев А.М., Буракова С.М., Киселев Ю.Н., Миронов Э.А. Динамика формирования детонационных покрытий // ФХОМ. - 1989. - №4. - С. 100-106

Восстановление изнашиваемых деталей тонкослойными покрытиями / Н.В. Власенко, М.К. Черновой, В.Я. Чабанный, В.Е. Мороз. - К.: Вища школа, 1988. - 63 с.

Петров В.А., Башкарев А.Я., Веттегрень В.И. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов. - СПб: Политехника, 1993. - 476 с.

Хасуи А., Моригако О. Наплавка и напыление / Пер. с яп. В.П. Попова; Под ред. В.С. Степанина, Н.Г.Шестерина. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

Валяев А., Погребняк А., Кишимото Н., Ладысев В. Модификация свойств материалов и синтез тонких пленок при облучении интенсивными электронными и ионными пучками. - Усть-Каменогорск, 1999. - 285 с.

Колисниченко О.В. Формирование модифицированных слоев при плазменно-детонационной обработке углеродистых сталей: Автореф. дис. к-та техн. наук: 05.03.06 / Ин-т электросварки им. О.Е. Патона. - К., 2003. - 20 с.

Алексеев Н.В., Самохин А.В., Гречиков М.И., Цветков Ю.В. Управление дисперсностью металлических порошков, получаемых в процессах плазменного восстановления // ФХОМ - 1997. - №6. - С. 54-60

Борисов Ю., Борисова А. Плазменные порошковые покрытия. - К.: Техніка, 1986. - 223 с.

Моляр А.Г., Васильев А.И. Влияние режима нанесения покрытия нитрида титана на процесс его изнашивания при фрейтинг - коррозии // Трение и износ. - 1992. - Т. 13, №2. - С. 350-355.

Тюрин Ю.Н., Погребняк А.Д. Влияние дуплексной обработки и свойства поверхности изделий // Трение и износ. - 2002. - №2. - С. 207-214.

Кузнецов В.Г., Лысенков А.А., Буров И.В., Рыбников С.И., Валуев В.П. Нанесение покрытий на большие поверхности вакуумно-дуговым методом // 6-я Международная конференция «Пленки и покрытия». - Санкт-Петербург. - 2001. - С. 145-148.

 Шипко А.А., Поболь И.Л., Урбан И.Г. Упрочнение сталей и сплавов с использованием электронно-лучевого нагрева. - Минск: «Навука i тэхнiка», 1995. - 280 с.

Тюрин Ю.Н. Совершенствование оборудования и технологий детонационного нанесения покрытий // Автоматическая сварка. - 1999. - №5. - С. 13-18.

 Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н., Иванов Ю.Ф. и др. Приготовление и исследование структуры и свойств Al₂O₃ покрытия, нанесенных плазменной детонацией // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26, Вып. 21. - С. 58-64.