Закономірності нанесення та зношування електроіскрових покриттів системи «NiAl-CrB2» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 21 Українець М.С. Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАНУ, м. Київ, Україна E-mail: maximukrainets22@gmail.com ЗАКОНОМІРНОСТІ НАНЕСЕННЯ ТА ЗНОШУВАННЯ ЕЛЕКТРОІСКРОВИХ ПОКРИТТІВ СИСТЕМИ «NiAl-CrB2» УДК 541.123; 669.058; 629.045 NiAl має значний науковий інтерес як електродний матеріал для отримання жаростійких покриттів методом електроіскрового легування (ЕІЛ). Для підвищення зносостійкості таких покриттів доцільним є введення в об’єм ін- терметаліду часток дибориду хрому. За допомогою гарячого пресування було отримано електроди системи «NiAl- CrB2» із 15-45 мас.% домішок CrB2. Був встановлений вплив кількості дибориду хрому на технологічні параметри процесу легування. Швидкість зношування отриманих покриттів була визначена при температурі T = 500 °C за схе- мою «pin-on-disc». Показано, що введення CrB2 до NiAl призводить до значного зростання зносостійкості інтермета- ліду. Було досліджено доріжки тертя та встановлено закономірності зношування отриманих покриттів. Ключові слова: ЕІЛ, інтерметалід, NiAl, диборид, CrB2, високjтемпературне тертя, зносостійкість. Вступ Електроіскрове легування (ЕІЛ) – процес нанесення матеріалу плавкого електроду на електроп- ровідну підкладку за допомогою пульсуючої електричної дуги, яка характеризується короткотривалими імпульсами з великою силою струму [1]. Основним напрямком застосування ЕІЛ є нанесення зносо- та/чи корозійностійких покриттів [2]. Матеріали на базі Ni та його сполук, в тому числі алюмініду нікелю (NiAl), мають значний науковий інтерес, як електродний матеріал для електроіскрового легування [1 - 3]. Порівняно із жароміцними сплавами на основі Ni (Hastelloy, Inconel, Waspaloy, Rene, ХН65МВ, ЖС26), що призначені для виготовлення деталей газотурбінних двигунів (ГТД), алюмінід нікелю має ни- зьку густину та високу температуру плавлення, окиснювальну та корозійну стійкість, що забезпечило йо- го широке використання в авіапромисловості у якості захисних покриттів для елементів ГТД. Проте, за- стосування NiAl як високотемпературного зносостійкого матеріалу є обмеженим внаслідок росту його пластичності при підвищених температурах [4, 5]. Наслідком пластичної деформації інтерметаліду є руйнація плівки Al2O3, яка утворюється на поверхні алюмініду нікелю в процесі його окиснення під впливом високих температур та запобігає схоплюванню поверхонь компонентів пари тертя [5]. Це приз- водить до реалізації адгезійного механізму зношування. З метою підвищення зносостійкості інтерметалід дисперсно армується тугоплавкими сполуками, які забезпечують його міцність і жорсткість при підви- щенні температури та виконують роль зносостійкої фази [4 - 9]. Базуючись на результатах попередніх досліджень газотермічних композиційних покриттів сис- тем NiAl-MeB2 [7 - 9] диборид хрому був обраний у якості армуючої фази електродів для електроіскро- вих покриттів на базі NiAl. Введення CrB2 підвищує міцність і жорсткість покриття, запобігаючи руйна- ції оксидних плівок на поверхні. Завдяки цьому реалізується окиснювальний механізм зношування. Ме- тою даної роботи є дослідження закономірностей процесу нанесення та зношування електроіскрових по- криттів на базі NiAl з домішками CrB2 в концентраційному діапазоні 15 – 45 % (тут і далі вміст надається в масових відсотках). Таблиця 1 Режими нанесення ЕІЛ покриттів установки «Alier-52» Параметри режиму Режим нанесення тривалість імпульсу струму, мкс ± 20 % амплітуда імпульсу струму, A ± 20 % енергія імпульсу струму, Дж частота повторення імпульсу, Гц частота вібрації тримача електродів, Гц 1 20 200 0,045 100 600 2 40 200 0,09 100 600 3 80 200 0,29 100 600 4 170 200 0,61 100 600 5 350 200 1,26 100 600 6 700 200 2,52 100 600 7 1400 200 5,0 100 600 mailto:maximukrainets22@gmail.com Закономірності нанесення та зношування електроіскрових покриттів системи «NiAl-CrB2» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 22 Рис. 1 – Схема установки для високотемпературного триботестування: 1 – фіксатор зразків (рухомий); 2 – нагрівальний елемент із захисним кожухом; 3 – зразок із ЕІЛ покриттям; 4 – контр-тіло; 5 – фіксатор контр-тіла (нерухомий) Експериментальна частина Електродні матеріали були отримані шляхом змішування вихідних порошків NiAl та CrB2 у кіль- кості 15%, 30% та 45% з подальшим гарячим пресуванням при Т = 1400 °C. Із спресованих заготовок бу- ло вирізано електроди у вигляді паралелепіпедів із розмірами 3×4×36 мм. У якості підкладок для дослі- дження кінетики приросту маси катоду у процесі легування використовувалися куби із довжиною сторо- ни 10 мм, виготовлені із сталі 20 [10]. Кінетика приросту маси катоду та ерозії аноду визначалася шля- хом зважування підкладки та електроду після кожної хвилини нанесення покриття на аналітичних вагах ВЛР-200. Для нанесення ЕІЛ покриттів використовувалася установка «Alier-52». Режими роботи установ- ки приведені в таблиці 1. Основними критеріями вибору режиму нанесення електроіскрових покриттів в даній роботі були рівномірний приріст покриття по всій площі підкладки та висока продуктивність про- цесу. В результаті досліджень, проведених заздалегідь, було встановлено, що для NiAl оптимальним є 4 режим, а для розроблених композиційних матеріалів – 7. Рис. 2 – Мікроструктура електроду NiAl-30% CrB2: 1 – NiAl; 2 – CrB2 Розроблені покриття були нанесені на стержні 5 × 15 мм, виготовлені зі сталі 20, для дослі- дження їх зносостійкості за схемою «pin-on-disc» (рис. 1). Триботестування проводилося при температурі 500 °C. Інші параметри процесу – тиск в зоні контакту P = 2 МПа, швидкість V = 1,5 м/с, дистанція тертя S = 1000 м. У якості контр-тіл використовувалися диски 40 мм з покриттям NiAl. Металографічний та мікрорентгеноспектральний аналіз поверхонь тертя розроблених покриттів проводився на мікроскопі РЕМ-106 И. Результати та обговорення Електроди, отримані шляхом гарячого пресування порошків NiAl та CrB2 мають характерну для дисперсно армованих матеріалів структуру – диборид хрому рівномірно розподілений по всьому об’єму інтерметаліду. На рис. 2 наведена мікроструктура електродного матеріалу NiAl-30% CrB2. Закономірності нанесення та зношування електроіскрових покриттів системи «NiAl-CrB2» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 8 1 2 Час нанесення (хв)   К     , г   А , г 4 5 3 6 7 Рис. 3 – Кінетика трансферу матеріалу під час легування: - приріст маси катоду (C): 1 – NiAl; 2 – NiAl-15% CrB2; 3 – NiAl-30% CrB2; 4 – NiAl-45% CrB2; - ерозія аноду (A): 5 – NiAl; 6 – NiAl-15% CrB2; 7 – NiAl-30% CrB2; 8 – NiAl-45% CrB2. При легуванні сталевого зразку електродом на базі NiAl спостерігається плавне збільшення його маси протягом 7 хвилин (рис. 3, крива 1). Під час нанесення покриття NiAl-15% CrB2 приріст катоду () зростає до значення 0,52 г (рис. 3, крива 2), після чого плавно зменшується протягом 2 хвилин і стабілізується. Із збільшенням кількості дибориду хрому до 30 % та 45 % спад росту маси катоду спосте- рігається на 3 та 2 хвилинах відповідно (рис. 3, криві 3 і 4). а б в г Рис. 4 – Мікроструктура електроіскрових покриттів: 1 – покриття; 2 – перехідна зона; 3 – підкладка; а – NiAl; б – NiAl-15% CrB2; в – NiAl-30% CrB2; г – NiAl-45% CrB2 Закономірності нанесення та зношування електроіскрових покриттів системи «NiAl-CrB2» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 24 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,942 0,510 0,443 NiAl - 45% CrB 2 NiAl - 30% CrB 2 NiAl - 15% CrB 2 Ін те нс ив ні ст ь з но ш ув ан ня (м м /к м ) NiAl 0,827 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Рис. 5 – Мікроструктура покриття NiAl-30% CrB2 після 7 хвилин нанесення Рис. 6 – Інтенсивність зношування електроіскрових покриттів Базуючись на результатах аналізу кінетики масоперенесення отримано електроіскрові покриття. Час нанесення NiAl та композиційних матеріалів із 15 %, 30 % та 45 % CrB2 становив 7, 4, 3 та 2 хвилини відповідно. Отримані електроіскрові покриття характеризуються щільністю в діапазоні 70 – 80 % та при- сутністю перехідної зони глибиною близько 30 мкм, що являє собою сталь, леговану Ni, Al та Cr (рис. 4, а - г, ділянка 2). Покриття NiAl характеризується численними тріщинами, що зароджуються в перехідній зоні і прямують в напрямку приросту покриття (рис. 4, а). Основною причиною утворення тріщин, очевидно, є залишкові напруження, як наслідок великої різниці коефіцієнтів термічного розширення NiAl (18 … 22 ×10-6 К-1) [4] та сталі (12 ×10-6 К-1) [10]. Введення до складу NiAl дибориду хрому у кількості 15 % та 30 % запобігає утворенню тріщин шляхом релаксації вищезгаданих напружень (рис. 4, б, в). Збі- льшення вмісту CrB2 до 45 % зменшує міцність зв’язку інтерметалічної матриці з тугоплавкою сполу- кою, що негативно впливає на запобігання утворенню тріщин (рис. 4, г). З метою дослідження явища зменшення приросту маси катоду при збільшенні часу нанесення покриття проведено мікроаналіз покриття NiAl – 30% CrB2, отриманого після 7 хвилин електроіскрового легування сталевої заготовки (рис. 5). Покриття характеризується високою товщиною (150 – 200 мкм), низькою суцільністю та вели- кою кількістю тріщин, які, зароджуються в перехідній зоні. Причиною їх утворення, очевидно, є залиш- кові напруження, що накопичуються протягом процесу нанесення. Після 3-ї хвилини легування тріщини розвиваються і скупчуються, утворюючи межі розділу, по яким відбувається поділ покриття на фрагмен- ти з подальшою його руйнацією. Інтенсивність руйнування зростає з 3 хвилини нанесення і досягає мак- симуму на 5 хвилині, коли маса електродного матеріалу, що переноситься дорівнює масі покриття, яке руйнується одночасно протягом того ж періоду. Таким чином, для проведення трибодосліджень були ви- готовлені зразки шляхом легування торців сталевих стержнів електродами на базі NiAl та композиційних матеріалів із 15%, 30% та 45% CrB2 протягом 7, 4, 3 та 2 хвилин відповідно. Отримані покриття було апробовано шляхом визначення їх зносостійкості при температурі 500 °С за схемою «pin-on-disc». Згідно з результатами (рис. 6), введення до складу інтерметаліду 15 % та 30 % дибориду хрому підвищує зносостійкість покриттів на базі NiAl до двох разів у порівнянні з вихід- ним інтерметалідом. При терті покриття NiAl реалізується адгезійний механізм зношування. Під впливом високої те- мператури та навантажень у зоні тертя захисна оксидна плівка Al2O3, яка утворюється на поверхні алюмініду нікелю, руйнується, що призводить до схоплювання матеріалу контр-тіла з покриттям (рис. 7, а, фаза 1). Внаслідок цього переважна частина поверхні доріжки тертя покрита матеріалом, пере- несеним з контр-тіла (рис. 7, а, фаза 2). Введення до складу інтерметаліду дибориду хрому в кількості 15 % та 30 % підвищує міцність та жорсткість покриття, що позитивно впливає на збереження та форму- вання захисних оксидних плівок на його поверхні. В даному випадку відбувається трансформація адге- зійного механізму зношування на окиснювальний. Доріжка тертя являє собою початкове покриття (Рис. 7, б, в, фаза 1) із одиничними зонами переносу продуктів тертя (рис. 7, б, в, фаза 2). Основним механізмом зношування матеріалу NiAl-45% CrB2 являється руйнація покриття (Рис. 7, г, фаза 1) внаслідок розвитку тріщин, що мають вихід на поверхню. В даних тріщинах накопичуються продукти тертя (Рис. 7, г, фаза 2), які працюють як клин, що сприяє поширенню тріщин в об’ємі покриття з подальшим відколюванням його частин. Закономірності нанесення та зношування електроіскрових покриттів системи «NiAl-CrB2» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 25 а б в г Рис. 7 – Мікроструктура поверхонь тертя електроіскрових покриттів, ×25, 1 – покриття; 2 – продукти тертя: а – NiAl; б – NiAl-15% CrB2; в – NiAl-30% CrB2; г – NiAl-45% CrB2 Мікроструктура доріжки тертя NiAl складається з двох основних фаз – конгломерованих та дрі- бних продуктів тертя (рис. 8, а, фаза 2), що приєдналися до власне самого покриття (рис. 8, а, фаза 1). Продукти тертя утворені, в основному, дрібними частками інтерметаліду, який, в даному випадку, є ма- теріалом покриття та контр-тіла, а також фрагментами зруйнованих оксидних плівок на базі Ni та Al. В процесі тертя NiAl-15(30)% CrB2 продукти тертя утворюють на поверхні композиційного пок- риття (рис. 8, б, в, фаза 1) плівкоподібні нашарування (рис. 8, б, в, фаза 2). В даному випадку мікроаналі- затор, окрім вищезгаданих складових продуктів трибосинтезу, реєструє наявність оксидних плівок на ба- зі Cr та B. Для покриття NiAl-45% CrB2 характерним є накопичення часток продуктів тертя у поверхневих дефектах (рис. 8, г, фаза 2). а б Закономірності нанесення та зношування електроіскрових покриттів системи «NiAl-CrB2» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 26 в г Рис. 8 – Мікроструктура поверхонь тертя електроіскрових покриттів, ×200, 1 – покриття; 2 – продукти тертя: а – NiAl; б – NiAl-15% CrB2; в – NiAl-30% CrB2; г – NiAl-45% CrB2 Висновки Базуючись на результатах проведеного дослідження можна зробити наступні висновки: 1. Введення армуючої фази до складу інтерметаліду підвищує його міцність та жорсткість, тран- сформуючи адгезійний механізм зношування покриття NiAl на окиснювальний для NiAl-15(30)% CrB2, що робить даний інтерметалід придатним для використання у високотемпературних вузлах тертя. 2. Додавання CrB2 у кількості 15 % та 30 % до складу електродного матеріалу запобігає утворен- ню та розповсюдженню тріщин в отриманих покриттях і підвищує їх зносостійкість. 3. Введення 45% дибориду хрому до складу NiAl погіршує кінетику приросту маси катоду у процесі легування та знижує опір отриманого покриття до зародження і розповсюдження тріщин, які не- гативно впливають на його цілісність та зносостійкість. Література 1. Xie, Y.J. Epitaxial MCrAlY coating on a Ni-base superalloy produced by electrospark deposition / Y.J. Xie, M.C. Wang // Surf. Coatings Technol. – 2006. – № 201. – С. 3564–3570. 2. Xie, Y.J. Isothermal oxidation behavior of electrospark deposited MCrAlX-type coatings on a Ni- based superalloy / Y.J. Xie, M.C. Wang // J. Alloys Compd. – 2009. – № 480. – С. 454–461. 3. Liang, J. Hot corrosion resistance of electrospark-deposited Al and Ni Cr coatings containing dispersed Y2O3 particles / J. Liang, W. Gao, Z. Li, Y. He // Mater. Lett. – 2004. – № 58. – С. 3280–3284. 4. Miracle, D.B. NiAl and its Alloys / D.B. Miracle, R. Darolia // Structural Applications of Intermetallic Compounds. – New York: John Wiley & Sons, 2000. – С. 55 – 74. 5. Guo, J. Wear properties of NiAl based materials / J. Guo, Z. Wang, L. Sheng, L. Zhou, C. Yuan, Z. Chen, L. Song // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. – 2012. – № 22. – С. 414–425. 6. Hawk, J.A. Abrasive wear behavior of NiAl and NiAl–TiB2 composites / J.A. Hawk, D.E. Alman // Wear. – 1999. – № 225-229. – С. 544–556. 7. Umanskyi, O. Physical-Chemical Interaction in NiAl-MeB2 Systems Intended for Tribological Applications / O. Umanskyi, O. Poliarus, M. Ukrainets, M. Antonov // Welding Journal. – 2015. – 94. – С. 225– 230. 8. Уманский, А.П. Влияние добавок тугоплавких боридов на механизмы изнашивания плазмен- ных покрытий на основе интерметаллида NiAl / А.П. Уманский, Е.Н. Полярус, М.С. Украинец, А.Д. Кос- тенко // Проблеми трибології. – 2014. – № 1. – С. 46–52. 9. Umanskyi, O. Effect of ZrB2, CrB2 and TiB2 Additives on the Tribological Characteristics of NiAl- Based Gas-Thermal Coatings / O. Umanskyi, O. Poliarus, M. Ukrainets, I. Martsenyuk // Key Eng. Mater. – 2014. – № 604. – С. 20–23. 10. Зубченко, А.С., Колосков, М.М., Каширский, Ю.В. и др. Марочник сталей и сплавов – М.: Машиностроение, 2003. – 784 с. Поступила в редакцію 11.05.2016 Закономірності нанесення та зношування електроіскрових покриттів системи «NiAl-CrB2» Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 27 Ukrainets M. Regularities of Deposition and Wear of Electrospark Deposited Coatings of NiAl-CrB2 System. NiAl has considerable scientific interest as an electrode material for heat-resistant coatings obtaining using electro- spark alloying. Chromium diboride reinforcing additive introducing into intermetallic in order to improve the wear resistance of such coatings is reasonable. The electrodes of the NiAl-CrB2 system with 15-45 wt.% of chromium diboride additives were obtained by hot pressing. The influence of the CrB2 additive amount on the technological parameters of the alloying process was studied. The wear rate of the obtained coatings was determined by «pin-on-disc» scheme at T = 500° C. It was shown that the CrB2 introduction into NiAl leads to a significant increase of intermetallic wear resistance. Worn surfaces were studied and the regularities of obtained coating wear were determined. Keywords: ESA, intermetallic, NiAl, diboride, CrB2, high-temperature sliding, wear resistance. References 1. Xie, Y.J., Wang, M.C. Epitaxial MCrAlY coating on a Ni-base superalloy produced by electrospark deposition, Surf. Coatings Technol., 2006, No 201, pp. 3564–3570. 2. Xie, Y.J., Wang, M.C. Isothermal oxidation behavior of electrospark deposited MCrAlX-type coatings on a Ni-based superalloy, J. Alloys Compd., 2009, No 480, pp. 454–461. 3. Liang, J., Gao, W., Li, Z., He, Y. Hot corrosion resistance of electrospark-deposited Al and Ni Cr coatings containing dispersed Y2O3 particles, Mater. Lett., 2004, No 58, pp. 3280–3284. 4. Miracle, D.B., Darolia, R. NiAl and its Alloys, Structural Applications of Intermetallic Compounds, New York: John Wiley & Sons, 2000, pp. 55 – 74. 5. Guo, J., Wang, Z., Sheng, L., Zhou, L., Yuan, C., Chen, Z., Song, L. Wear properties of NiAl based materials, Prog. Nat. Sci. Mater. Int., 2012, No 22, pp. 414–425. 6. Hawk, J.A., Alman, D.E. Abrasive wear behavior of NiAl and NiAl–TiB2 composites, Wear, 1999, No 225-229, pp. 544–556. 7. Umanskyi, O., Poliarus, O., Ukrainets, M., Antonov, M. Physical-Chemical Interaction in NiAl- MeB2 Systems Intended for Tribological Applications, Welding Journal, 2015, No 94, pp. 225–230. 8. Umanskyi, A.P., Poliarus, E.N., Ukrainets, M.S., Kostenko, A.D. Vlijanie dobavok tugoplavkih boridov na mehanizmy iznashivanija plazmennyh pokrytij na osnove intermetallida NiAl, Problems of Tribology, 2014, No 1, pp. 46–52. 9. Umanskyi, O., Poliarus, O., Ukrainets, M., Martsenyuk, I. Effect of ZrB2, CrB2 and TiB2 Additives on the Tribological Characteristics of NiAl-Based Gas-Thermal Coatings, Key Eng. Mater., 2014, No 604, pp. 20–23. 10. Zubchenko, A.S., Koloskov, M.M., Kashirskij, Ju.V. i dr. Marochnik stalej i splavov. Moskva: Mashinostroenie, 2003. 784 p. OLE_LINK1 OLE_LINK11 OLE_LINK12 OLE_LINK17 OLE_LINK18 OLE_LINK19 OLE_LINK33 OLE_LINK34 OLE_LINK6 OLE_LINK7 OLE_LINK70 OLE_LINK71 OLE_LINK72 OLE_LINK79 OLE_LINK80 OLE_LINK81 OLE_LINK82 OLE_LINK83 OLE_LINK10 OLE_LINK15 OLE_LINK16 OLE_LINK2 OLE_LINK20 OLE_LINK21 OLE_LINK22 OLE_LINK23 OLE_LINK24 OLE_LINK25 OLE_LINK26 OLE_LINK27 OLE_LINK28 OLE_LINK29 OLE_LINK3 OLE_LINK30 OLE_LINK31 OLE_LINK40 OLE_LINK41 OLE_LINK58 OLE_LINK59 OLE_LINK60 OLE_LINK61 OLE_LINK8 OLE_LINK9 OLE_LINK37 OLE_LINK38 OLE_LINK39 OLE_LINK92 OLE_LINK93 OLE_LINK94 OLE_LINK95 OLE_LINK4 OLE_LINK42 OLE_LINK43 OLE_LINK44 OLE_LINK45 OLE_LINK46 OLE_LINK47 OLE_LINK48 OLE_LINK5 OLE_LINK51 OLE_LINK52 OLE_LINK65 OLE_LINK66 OLE_LINK67 OLE_LINK68 OLE_LINK69 OLE_LINK35 OLE_LINK36 OLE_LINK49 OLE_LINK50 OLE_LINK62 OLE_LINK63 OLE_LINK64 OLE_LINK96 OLE_LINK97 OLE_LINK53 OLE_LINK54 OLE_LINK57