WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Жевтун Иван Геннадьевич

ПОВЫШЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ ПУТЕМ ФОРМИРОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ КАРБИДСОДЕРЖАЩИХ ФАЗ ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОМ РАЗРЯДЕ В ВОДНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ

05.16.09 – материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт химии ДВО РАН» (г. Владивосток)

Научный консультант: Зав. лабораторией защитных покрытий и морской коррозии ИХ ДВО РАН, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Гордиенко Павел Сергеевич

Официальные оппоненты: Зав. кафедрой «Технология металлов и литейного производства» ТОГУ, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ри Хосен (г. Хабаровск) кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» ДВФУ Рева Виктор Петрович (г. Владивосток)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Морской государственный университет (МГУ им. Г. И. Невельского)» (г.

Владивосток)

Защита состоится «25» октября 2012 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-наАмуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г.

Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Факс: 8(4217)53-61-50. E-mail:

mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан: «19» сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.092.кандидат технических наук Пронин А. И.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В силу своих уникальных свойств титан находит широкое применение в авиационном, судостроительном, ракетнокосмическом машиностроении и во многих других отраслях. Одним из основных недостатков титана является большая склонность к схватыванию и, как следствие, исключительно низкие антифрикционные свойства. Эти обстоятельства обуславливают высокий износ изделий из титана и резко ограничивают применение титановых сплавов в узлах трения машиностроительных конструкций.

Существующие методы обработки титановых сплавов, направленные на повышение антифрикционных свойств титановых сплавов не нашли широкого применения. Поэтому создание сплава на основе титана с высокой износостойкостью и сохранением уникальных природных свойств титана является актуальной задачей.

Для эффективной защиты титановых сплавов целесообразно формировать на их поверхности локальные участки, содержащие карбид титана, способные эффективно защитить сплав от фрикционных и других механических воздействий.

Работа выполнена в соответствии с плановой тематикой Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химии ДВО РАН (№ темы 01.2009.64164) при поддержке грантов ДВО РАН № 12-I-0-04-0«Разработка метода получения композиционного материала на основе титана с нано- и микроразмерными включениями карбида титана», № 12-III-В-04-0«Исследование состава, структуры и свойств углеродсодержащих фаз, формируемых на титановых сплавах в электролитах». Актуальность темы исследования подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы «Исследование электро-химических процессов образования защитных покрытий с управлением потоками энергии при микродуговом оксидировании» (гос. контракт № 02.740.11.0638 РФ от 29.03.2010).

Целью работы является исследование и установление закономерностей формирования карбидсодержащих фаз на титане и его сплавах для повышения их функциональных свойств.

В рамках поставленной цели были определены следующие задачи:

- получение на катодно-поляризованной поверхности титановых сплавов локальных участков, содержащих карбид титана, в водных электролитах;

- термодинамическое обоснование процесса формирования локальных участков и возможности получения карбида титана;

- исследование фазового, элементного состава, а также структуры и морфологии формируемых участков;

- выявление изменения параметров формируемых участков (их диаметра, глубины, состава) в зависимости от режимов и условий обработки;

- определение механических свойств как самих участков, так и поверхности в целом, а также оценка коррозионной активности формируемых участков в растворе 3 % NaCl;

- изучение термического поведения формируемых участков.

Для решения поставленных задач применены современные методы исследования: рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, энерго-дисперсионный анализ, ртутная порометрия, метод потенциодинамических кривых, термогравиметрический анализ и стандартизированные механические испытания.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением аттестованных приборов и апробированных методик измерения, воспроизводимостью экспериментальных данных и соответствием результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна работы:

1. Разработаны физико-химические основы получения фазы карбида титана, не содержащей кислород, в объеме локальных участков титановых сплавов при электродуговом разряде в водных электролитах. Диаметр локального участка (от 2 до 10 мм) зависит от задаваемых значений параметров обработки – диаметра анода и силы тока. Микроструктура участков представляет собой титановый каркас с карбидными включениями размером от 1 (в центре участка) до десятков микрометров (на периферии участка). Стехиометрия включений на разных образцах различна и зависит от режимов обработки.

2. Проведен термодинамический анализ термохимических процессов при дуговом разряде между титановым и угольным электродами. Показано, что в зоне воздействия дугового разряда (Т>2000 К) наиболее вероятны реакции образования карбида титана и газов CO, СО2 и Н2. Показано влияние парциального давления кислорода на вероятность реакции окисления титана в присутствии углерода и продуктов диссоциации воды при высоких температурах.

3. Установлено, что формируемые локальные объемы титановых сплавов являются беспористыми. Получены данные по их фазовому, элементному составу, морфологии и структуре.

4. Установлены общие закономерности изменения механических свойств карбидсодержащих участков: значения микротвердости изменяются в пределах от 7 до 30 ГПа, что объясняется гетерогенной микроструктурой; коэффициент трения на поверхности сплава ВТ3-1 составляет 0,35 – 0,4, а для локального участка – порядка 0,05; глубина проникновения индентора в поверхность сплава ВТ3-1 составляет 75 мкм, а после снятия нагрузки восстанавливается до 20 мкм, в поверхность карбидсодержащего участка – 20 мкм, после снятия нагрузки – 3–4 мкм, что свидетельствует о более высоких твердости и упругости локального участка по сравнению с поверхностью сплава ВТ3-1. При испытаниях на износостойкость общий износ обработанной поверхности титанового сплава уменьшается на 1 – 2 порядка по сравнению с исходной поверхностью.

5. Определены коррозионная и термическая стойкость карбидсодержащих участков в сравнении с титановым сплавом ПТ-3В:

- в растворе 3% NaCl формируемый участок имеет более высокие токи коррозии, чем титановый сплав ПТ-3В, но меньшие чем у образца TiC.

- карбидсодержащие участки имеют большую стойкость к окислению, чем титановый сплав, но меньшую, чем карбид титана. Активное окисление о титанового сплава ПТ-3В начинается после 400 С, карбидсодержащих участков – после 700 оС.

6. Показана возможность легирования формируемых карбидсодержащих участков хромом. Введение хрома в карбидную фазу способствует повышению окалиностойкости карбидных участков.

Практическая значимость работы:

- разработан метод формирования фаз, содержащих карбид титана, на титановых сплавах при дуговом разряде в водных электролитах.

- использование данного метода значительно повышает эксплуатационные свойства поверхности титановых сплавов, что позволяет использовать композиционный материал на основе Ti – TiC для повышения функциональных свойств деталей из титановых сплавов.

Положения, выносимые на защиту - результаты исследования состава, морфологии и структуры и механических, термических и коррозионных свойств титановых сплавов ВТ1-0, ВТ3-1 и ПТ-3В с локальными участками, содержащими микро- и наноразмерные включения карбида титана, сформированными в водном электролите с использованием графитового анода при катодной поляризации титанового сплава;

- метод формирования карбидсодержащих фаз на поверхности титана и его сплавов;

- термодинамический анализ процесса формирования карбида титана в составе локальных участков.

Апробация работы Основные результаты работы были представлены на следующих научных мероприятиях: Международная конференция “Основные тенденции развития химии в начале XXI века” (Санкт-Петербург, 2009); Международная научнотехническая конференция "Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов" (Комсомольск-на-Амуре, 2009);

Региональная научная конференция «Вологдинские чтения» (Владивосток, 2009, 2010); 2-я международная самсоновская конференция «Материаловедение тугоплавких соединений» (Украина, Киев, 2010); Международная научнотехническая конференция «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2010); 2-я Международная конференция по химии и химической технологии (Республика Армения, Ереван, 2010); Шестая международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» (Украина, Понизовка, 2010);

Международная конференция HighMathTech (Украина, Киев, 2011); Российская научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения» (Комсомольск-на-Амуре, 2011);

Международная конференция по химической технологии ХТ'12 (Москва, 2012).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликована 21 печатная работа, в том числе 7 статей, 13 материалов конференций и тезисов докладов, получен 1 патент РФ. Статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ: «Коррозия, материалы, защита», «Металлообработка», «Перспективные материалы», «Химическая технология», «Вестник машиностроения» («Russian Engineering Research»), «Электронная обработка материалов» («Surface Engineering and Apply Electrochemistry»).

Личный вклад автора состоит в анализе литературных данных по теме исследования, проведении основной части экспериментов и обсуждении полученных результатов. Часть экспериментального материала получена при участии сотрудников Института химии ДВО РАН, Дальневосточного геологического института ДВО РАН, Морского государственного университета им. Невельского, Дальневосточного Федерального университета.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, заключения, списка используемых источников (126 наименований) и приложений. Объем диссертации составляет 132 страницы, включая 19 таблиц и 57 рисунков.

Основное содержание диссертации Во введении обоснован выбор темы исследования, сформулированы его цель и задачи. Показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приведен литературный обзор по проблеме износостойкости титановых сплавов и методах ее решения, отмечается эффективность использования плазменных методов. Показано, что перспективным материалом для защиты поверхности титановых сплавов от фрикционных воздействий целесообразно использовать карбид титана, обладающий высокой твердостью и износостойкостью. Рассмотрены физические, химические и механические свойства карбида титана, области его применения и способы получения.

Отмечается сложность технологии получения карбида титана, во многих случаях не удается избежать попадания в карбидную фазу кислорода и других примесей, что отрицательно сказывается на свойствах материала.

Подчеркивается необходимость разработки новых методов обработки титановых сплавов с целью повышения их износостойкости.

В главе 2 описаны используемые образцы из титановых сплавов ВТ1-0, ВТ3-1 и ПТ-3В, методика их подготовки, а также методика и оборудование для обработки образцов. При проведении работ использовались современные методы исследования: рентгенофазовый анализ, атомно-силовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, энерго-дисперсионный анализ.

Приведены сведения об оборудовании, на котором проводились механические испытания: микротвердометрия, скратч-тестирование, испытания на износостойкость. Поляризационные кривые были сняты на потенциостате с компьютерным управлением IPC – PRO (г. Москва). Порометрический анализ проводили на локальных участках, вырезанных из образца механической гильотиной, при помощи прибора Auto Pore IV 9500 (производство Micromeritics Instrument Corp., США). Термическое поведение образцов изучали на дериватографе Q-1500 D системы Ф. Паулик, П. Паулик, Л. Эрдеи фирмы «МОМ», а также на дериватографе DTG-60H фирмы Shimadzu.

В главе 3 описывается метод повышения износостойкости титановых сплавов, основанный на формировании локальных участков, содержащих карбид титана, на поверхности катодно-поляризованных титановых сплавов в электролите при дуговом режиме с использованием графитового анода.

Приведены результаты исследования фазового, элементного состава, морфологии поверхности и структуры, а также механических, термических и коррозионных свойств локальных карбидсодержащих участков, формируемых на титановых сплавах.

По данным рентгенофазового анализа на поверхности обработанных образцов до шлифовки идентифицируются фазы титана, рутила и карбида титана. После шлифовки – только титан и TiC.

Элементный состав локальных участков до и после шлифовки представлен в табл. 1.

Табл. Элементный состав локальных участков до и после шлифовки (ат. %) № До шлифовки После шлифовки Ti C O Др. Ti C O Др.

1 30,07 32,76 37,16 0,01 64,21 35,79 - 2 29,87 27,65 42,46 0,02 65,25 34,75 - 3 38,03 39,63 22,34 - 64,08 35,92 - 4 27,15 4,69 68,15 0,01 66,31 33,69 - 5 23,69 19,59 56,72 - 62,44 37,56 - Из этих данных следует, что формируемый участок после шлифовки не содержит кислорода. Кислород присутствует в составе окислов лишь до шлифовки на поверхности и иногда на небольших периферийных зонах участка. Из таблицы 1 также видно, что соотношение титана и углерода составляет в среднем Ti/C=2/1.

На снимках, полученных на сканирующем электронном микроскопе (рис.

1) до шлифовки на поверхности видны зерна округлой формы. После шлифовки на поверхности различимы кристаллические включения.

Рис. 1. Микрофотографии поверхности локальных участков: а) до шлифовки;

б) после шлифовки На рис. 2. представлена кристаллическая поверхность одной из центральных зон локального участка. Размеры отдельных кристаллических образований могут достигать сотен нанометров.

Рис. 2. Микрофотографии поверхности центральной зоны локального участка Путем вытравливания отдельных фаз (рис. 3) была выявлена микроструктура карбидсодержащих участков, представляющая собой карбидные включения в титановой матрице. Размеры карбидных включений составляют от 1 до десятков микрометров.

Рис. 3. Микрофотография локального участка после вытравливания TiC Форма карбидных включений меняется при перемещении от периферии участка к центру (рис. 4). На периферии участка включения имеют дендритное строение, а ближе к центру участка они приобретают зернистую форму, что объясняется более высокой температурой центральных зон в момент импульсного воздействия.

Рис. 4. Микроструктура периферийной зоны участка (а), (б) и зоны, близкой к центру (в), (г) Из полученных данных можно сделать вывод о том, что в зоне воздействия дугового разряда в электролите с использованием угольного анода на поверхности титанового сплава образуется участок с расплавом титана, в котором в момент плазменного воздействия с высокой скоростью формируются кристаллы карбида титана. При быстром остывании локального участка данный расплав, содержащий кристаллы TiC, «фиксируется», и в результате в зоне воздействия формируется титановый «скелет» с твердыми включениями карбида титана. Причем в центральной зоне воздействия, в которую попадает большее количество углерода, содержание TiC стехиометрического состава – максимально, в некоторых участках с избытком углерода, а по мере удаления от центра – содержание углерода уменьшается.

После вытравливания титановой матрицы (рис. 5) на поверхности локального участка различимы зерна карбида титана размером в несколько микрометров. Содержание в них углерода (по данным элементного анализа) изменяется в широких пределах: от 5 до 19 масс. %.

Рис. 5. Микроструктура поверхности локального участка после травления титановой матрицы На рентгенограммах различных образцов наблюдается сдвиг линий, соответствующих карбиду титана, что связано с изменением периода решетки.

Период решетки TiC, соответствует в различных случаях как стехиометрическому карбиду титана, не содержащему кислорода и других примесей, (а0 = 4,326 ), так и нестехиометрическому, либо содержащего примеси (а0 = 4,3300 , 4,317 ). Фазовый и элементный анализ не показывают наличие примесей, следовательно, данное несоответствие следует объяснять различной стехиометрией формируемого карбида титана.

Предположение о титановом каркасе с карбидными включениями подтверждается данными по микротвердости локальных участков.

Микротвердость шлифованных участков варьируется в пределах от 7 до 30 ГПа (табл. 2). Отсюда можно предположить, что верхнее значение микротвердости соответствует попаданию алмазной пирамидки Виккерса на зерно карбида титана, а нижние или промежуточные значения – на периферийную зону зерен карбида или титановую связку.

По глубине участка значения микротвердости также изменяются.

Максимальные значения достигаются в середине участка, и затем наблюдается постепенное уменьшение до значений микротвердости подложки.

Табл. Значения микротвердости поверхности образца ВТ3-1 на необработанных (№ 16) и обработанных при катодной поляризации (№ 6-28) участках № участка HV, МПа № участка HV, МПа № участка HV, МПа 1 4730 11 18920 21 2562 5490 12 25550 22 1893 4120 13 14420 23 1654 4730 14 5930 24 1445 4410 15 30650 25 1886 5090 16 25800 26 1287 16480 17 30450 27 1898 7660 18 10200 28 1029 8410 19 25810 30150 20 257Изменение массы образцов при испытаниях на износостойкость приведены в табл. 3. Как видно из этих данных, износ поверхности после обработки уменьшается в десятки раз.

Табл. Износ образцов при испытаниях на износостойкость Масса образцов, г Образец m, До После мг испытаний испытаний Исходный 2,8607 2,6936 1Обработанный 2,5896 2,5861 3,Скратч-тестирование обработанных и необработанных образцов проводилось после шлифовки поверхности при нагрузке до 35 Н. Графики, демонстрирующие изменение коэффициента трения для необработанной поверхности титанового сплава ВТ3-1 и карбидного участка на его поверхности, приведены на рис. 6. Из этих данных следует, коэффициент трения на поверхности сплава ВТ3-1 составляет в среднем 0,35 – 0,4, а для локального участка – порядка 0,05. Это еще раз косвенно подтверждает формирование в локальном участке карбида титана, коэффициент трения которого в несколько раз ниже, чем у титана и его сплавов.

Рис. 6. Зависимость коэффициента трения от нагрузки а) исходной поверхности, б) карбидсодержащего участка (1-коэффициент трения, 2-сила трения, 3-нагрузка) Глубина проникновения индентора в поверхность сплава ВТ3-1 (рис. 7) составляет 75 мкм, а после снятия нагрузки восстанавливается до 20 мкм, в поверхность карбидсодержащего участка – 20 мкм, после снятия нагрузки – 3–мкм, что свидетельствует о более высоких твердости и упругости локального участка, по сравнению с поверхностью сплава ВТ3-1. Таким образом, в формируемых локальных участках достигается совмещение высокой твердости карбида титана с пластичностью и упругостью титановой связки.

Рис. 7. Зависимость глубины проникновения индентора от нагрузки и восстановленная глубина (после снятия нагрузки) при царапании а) исходной поверхности, б) карбидного участка (1-глубина проникновения, 2-остаточная глубина) Для получения информации о коррозионном поведении композиционного материала на основе Ti – TiС были сняты поляризационные кривые для исходного титанового сплава ПТ-3В, карбида титана, полученного аргоннодуговой плавкой, и локального карбисодержащего участка в растворе 3% NaCl.

Из этих данных следует, что токи коррозии на карбидсодержащем участке меньше, чем у карбида титана, но больше, чем у титанового сплава ПТ-3В, то есть карбидный участок занимает промежуточное положение между чистым TiC и исходным сплавом (рис. 8).

Рис. 8. Поляризационные зависимости титанового сплава ПТ-3В (1)(1'), карбида титана (2)(2') и локального карбидсодержащего участка (3)(3') Методом термогравиметрии исследовалось термическое поведение локальных участков, вырезанных из образца. Нагрев производился до 1000 оС на воздухе. Сравнивались термогравиграммы, при нагреве титанового сплава ПТ-3В, формируемых карбидсодержащих участков и образцов карбида титана, полученного в инертной среде (рис. 9).

У всех образцов наблюдается привес вследствие окисления титана и образования рутила, сопровождающиеся экзоэффектом. Причем, у титанового о сплава привес начинается примерно после 400 С, у карбидсодержащих о участков – после 700 С, что свидетельствует об их большей стойкости к окислению по сравнению с исходным сплавом.

а) б) в) Рис. 9. Термогравиграммы образцов карбида титана, полученного дуговой плавкой в аргоне (а), карбидсодержащих участков, формируемых на титановом сплаве ПТ-3В (б) и исходного сплава ПТ-3В (в) Выдержка при 1000 оС не приводит к заметному изменению кривой TG, для образцов карбида титана она остается практически горизонтальной. А у о карбидсодержащих участков при 1000 С продолжается активный набор веса, связанный с окислительным процессом, и после 5 часов выдержки составляет 24,8 % от массы навески. Это свидетельствует о присутствии в объеме карбидсодержащих участков наряду с кристаллами карбида титана титановой матрицы.

Таким образом, карбидсодержащие участки имеют большую стойкость к окислению чем титановый сплав, но меньшую, чем карбид титана.

Также в главе подчеркивается различие между проведением процесса при катодной и анодной поляризации, отмечается восстановительная функция углерода.

В главе 4 произведен термодинамический расчет свободной энергии химических реакций при образовании карбида титана на катоднополяризованной поверхности титановых сплавов в электролите с графитовым анодом.

Условия равновесия для химической реакции определяются из уравнения для приращения энергии Гиббса с учетом изменения энтропии и теплоемкости системы от температуры. Это выражение можно записать в виде уравнения Улиха:

G0 = Н0 – S0 Т – С0 М0Т, (1) х.р. х.р. х.р. р х.р.

где G0 = G0 – G0 – приращение энергии Гиббса химической реакции, х.р. прод. исх.

а G0, G0 – приращения энергии Гиббса соответственно продуктов прод. исх.

реакции и исходных веществ;

Н0 – приращение энтальпии системы в результате химической х.р реакции, определяется как разность энтальпий продуктов реакции и исходных веществ: Н0 = Н0 – Н0 ;

х.р прод. исх.

S0 и С0 – соответственно приращения энтропии и изобарной х.р. х.р.

р теплоемкости системы в результате химической реакции;

М0 – коэффициент Улиха, учитывающий изменение теплоемкости от температуры.

Согласно уравнению Вант-Гоффа, изменение концентрации (парциального давления) одного из исходных компонентов приводит к изменению температуры, при которой наступает равновесие (G0 =0). В этом х.р случае свободная энергия i-го компонента определяется химическим потенциалом :

i. = G0i + RTln pi. (2) Также следует учитывать, что в реальных условиях в процессе дугового разряда на катод попадает углерод не в твердом состоянии, а в газообразном, т.е. уже имея значительный запас энергии. Кроме того, в газовом пузыре, который образуется в воде при пробое, продукты диссоциации воды (Н2 и О2) сначала образуются в атомарном состоянии (Н и О), поэтому реакции с их участием следует рассматривать также для атомарного состояния. Таким образом, в межэлектродном промежутке и на поверхности электродов возможны следующие реакции (рис. 10):

H2O = 2H + O (а) Cгаз + O = 2CO (б) Ti + Cгаз = TiC (в) 1/2Ti + O = 1/2TiO2 (г) Рис. 10. Изменение энергии Гиббса от температуры для реакций (а) – (г) Из рисунка следует, что наиболее энергетически выгодной реакцией с участием углерода при температурах в несколько тысяч Кельвинов является реакция (б) – образование угарного газа. Но, так как в этих условиях парциальное давление углерода рСгаз намного больше, чем кислорода рO, то с учетом уравнения (2), кривые для реакций с участием кислорода сдвинутся влево, и при определенной температуре наиболее вероятной станет реакция образования карбида титана (рис. 11). Например, при парциальном давлении кислорода рO = 10-2 Па реакция образования карбида титана становится наиболее энергетически выгодной уже при Т > 2000 К (заштрихованная область).

Рис. 11. Изменение энергии Гиббса для реакций (а) – (г) с учетом уравнения (17), рO = 10-2 Па Расчеты показывают, что при температурах, достигаемых в зоне действия дугового разряда, в присутствии углерода титан не окисляется, а кислород, образующийся в результате диссоциации воды, связывается с углеродом, образуя CO. Использование угольного анода и электролита защищает титановый расплав на катоде и формируемый в нем карбид титана от окисления.

Таким образом, процесс образования карбида титана на катоднополяризованной поверхности титана при дуговом режиме с использованием угольного анода в водном электролите можно представить в виде общей реакции:

2Ti + 3C + 5H2O TiC + CO2 + CO + TiO2 + 5H2. (д) Таким образом, применение вышеописанного подхода к процессу образования карбида титана позволяет качественно прогнозировать фазовый состав локальных участков на поверхности титана и его сплавов и образовавшихся продуктов процесса после воздействия дугового разряда с графитовым анодом.

В главе 5 показана возможность легирования формируемых карбидсодержащих участков хромом. При катодной поляризации титанового сплава в электролите с угольным анодом введение хрома в карбидсодержащий участок проводилось несколькими способами: а) предварительным растворением в электролите хромсодержащие соли; б) предварительным хромированием анода; в) предварительным хромированием катода; г) введением в дуговое пространство твердых присадок на основе хрома (или чистого хрома).

Из рассмотренных способов введения хрома в карбидную фазу наиболее эффективным и простым является введение хрома в дуговое пространство в виде твердых присадок. Локальные участки после такой обработки были вырезаны из образца механической гильотиной и подвергнуты термогравиметрическому анализу. Полученные данные сравнивались с термогравиграммами локальных участков, не содержащих хрома (рис. 12).

Из рисунка видно, что образцы, содержащие хром меньше прибавляют в весе и начинают окисляться при более высокой температуре, т. е. обладают большей стойкостью к окислению, чем локальные участки, не содержащие хром.

Рис. 12. Термогравиграммы локальных участков, содержащих (а) и не содержащих (б) хром В главе отмечается сходство формируемых структур на катоднополяризованных титановых сплавах в электролите со структурой многих композитов, в частности твердых сплавов – твердые включения в пластичной матрице (карбид титана в титане), а также с гетерогенной структурой антифрикционных сплавов – баббитов. Причем размеры таких включений достигают нескольких микрометров. Получение подобных структур с использованием плазмы дугового разряда на рабочей поверхности мало- и среднегабаритных деталей из титановых сплавов способно эффективно защитить деталь от износа, в том числе и в агрессивных средах.

Выводы 1. Разработаны физико-химические основы получения фазы карбида титана на поверхности титановых сплавов при электродуговом разряде в водных электролитах. На поверхности сплава формируется локальный участок, содержащий карбид титана и не содержащий кислород, диаметром от 2 до мм в зависимости от задаваемых значений параметров обработки (диаметра анода и силы тока).

2. Микроструктура участков представляет собой титановый каркас с карбидными включениями размером от 1 до десятков микрометров.

Стехиометрия включений на разных образцах различна и зависит от режимов обработки. При переходе от центра участка к периферии изменяется морфология карбидных зерен, увеличиваются их размеры.

3. С использованием уравнения Улиха произведен термодинамический анализ процесса образования карбида титана на поверхности титановых сплавов. Показано, что при использовании электрической дуги (Т>2000 К) возможно образование карбида титана, не содержащего газовых примесей (О2, Н2). Продуктами процесса являются CO, СО2, Н2 и TiC. Показано влияние парциального давления кислорода на вероятность протекания реакции окисления, из чего следует, что в присутствии углерода и продуктов диссоциации воды при высоких температурах реакция окисления титана менее вероятна, чем образование карбида титана.

4. Впервые получены данные по фазовому, элементному составу, морфологии и структуре локальных объемов титановых сплавов, содержащих микровключения карбида титана. Установлено, что формируемые участки являются беспористыми.

5. Установлены общие закономерности изменения механических свойств карбидсодержащих участков: значения микротвердости изменяются в пределах от 7 до 30 ГПа, что объясняется гетерогенной микроструктурой; коэффициент трения на поверхности сплава ВТ3-1 составляет 0,35 – 0,4, а для локального участка – порядка 0,05; глубина проникновения индентора в поверхность сплава ВТ3-1 составляет 75 мкм, а после снятия нагрузки восстанавливается до 20 мкм, в поверхность карбидсодержащего участка – 20 мкм, после снятия нагрузки – 3–4 мкм, что свидетельствует о более высоких твердости и упругости локального участка по сравнению с поверхностью сплава ВТ3-1. При испытаниях на износостойкость общий износ обработанной поверхности титанового сплава уменьшается на 1 – 2 порядка по сравнению с исходной поверхностью.

6. Определены коррозионная и термическая стойкость карбидсодержащих участков в сравнении с титановым сплавом ПТ-3В:

- в растворе 3% NaCl формируемый участок имеет более высокие токи коррозии, чем титановый сплав ПТ-3В, но меньшие чем у образца TiC.

- карбидсодержащие участки имеют большую стойкость к окислению, чем титановый сплав, но меньшую, чем карбид титана. Активное окисление о титанового сплава ПТ-3В начинается после 400 С, карбидсодержащих участков – после 700 оС.

7. Показана возможность легирования формируемых карбидсодержащих участков хромом. Введение хрома в карбидную фазу способствует повышению окалиностойкости карбидных участков.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Гордиенко П.С., Достовалов В.А., Жевтун И.Г., Харченко У.В., Баринов Н.Н., Кайдалова Т.А., Достовалов Д.В. Формирование карбидных фаз на катодно-поляризованной поверхности титана // Коррозия: материалы, защита.

2009. № 7. С. 1 – 5.

2. Гордиенко П.С., Верхотуров А.Д., Достовалов В.А, Панин Е.С., Коневцов Л.А., Жевтун И.Г. Электрофизические и теплофизические процессы при электроискровой обработке материалов // Металлообработка. 2 (56) 2010. С. – 25.

3. Гордиенко П.С., Верхотуров А.Д., Достовалов В.А, Жевтун И.Г., Панин Е.С., Коневцов Л.А., Шабалин И.А. Эрозия электродов при электрическом пробое // Электронная обработка материалов. Том 47. № 3. 2011. С 15 – 27. = P. S. Gordienko, A. D. Verkhoturov, V. A. Dostovalov, I. G. Zhevtun, E. S. Panin, L.

A. Konevtsov and I. A. Shabalin. Electrophysical model of the erosion of electrodes under the energy pulse effect // Surface Engineering and Applied Electrochemistry.

Volume 47, Number 3, 206-216.

4. Жевтун И. Г., Гордиенко П. С., Достовалов В. А. Повышение износостойкости титановых сплавов путем формирования на поверхности локальных участков карбида титана. // Перспективные материалы.

Специальный выпуск (13). 2011. С. 309 – 313.

5. Жевтун И. Г., Гордиенко П. С., Достовалов В. А. Термодинамическая оценка процесса образования карбида титана на катодно-поляризованных титановых сплавах в электролитах // Химическая технология. № 11. 2011. С. 663 – 667.

6. Гордиенко П. С., Жевтун И. Г., Достовалов В. А., Курявый В. Г., Баринов Н.

Н. Состав и структура углеродсодержащих локальных участков, формируемых на титановых сплавах в электролитах // Вестник машиностроения. № 2. 2012. С.

52 – 55. = P. S. Gordienko, I. G. Zhevtun, V. A. Dostovalov, V. G. Kuryavyi and N. N. Barinov.

Composition and Structure of Carbon Rich Local Sections Formed on Titanium Alloys in Electrolytes // Russian Engineering Research, 2012, Vol. 32, No. 2, pp.

158–161.

7. Иванов В. Г., Коркош С. В., Гордиенко П. С., Жевтун И. Г.

Антифрикционные свойства МДО-покрытий на титановом сплаве 3М. // Металлообработка. 1 (67) 2012. С. 24 – 27.

Патенты:

1. Пат. № 2424352 Российская Федерация, МПК С23С 14/06, С23С 14/24.

Способ формирования износостойкого покрытия из карбида титана / В. А.

Достовалов, П. С. Гордиенко, Д. В. Достовалов, И. Г. Жевтун – Заявка № 2009110560 / 02; заявлено 23.03.2009; опубликовано 20.07.2011., Бюл. № 27.

Материалы конференций:

1. Гордиенко П.С., Жевтун И.Г., Ярусова С.Б., Супонина А.П. Формирование карбидных фаз на катодно-поляризованной поверхности титана // Материалы Международной конференции “Основные тенденции развития химии в начале XXI века”, Санкт-Петербург. 2009. С. 152.

2. Гордиенко П.С., Жевтун И.Г., Достовалов В.А. Исследование легирования карбидных фаз на катодно-поляризованной поверхности титана хромом // Материалы Международной научно-технической конференции "Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов", Комсомольск-на-Амуре. 2009. С. 130 - 134.

3. Гордиенко П.С., Жевтун И.Г., Достовалов В.А. Электротехнологический процесс формирования карбидных фаз // Материалы юбилейной научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, ДВГТУ. 2009. С. 155 – 159.

4. Гордиенко П.С., Верхотуров А.Д., Достовалов В.А, Жевтун И.Г., Панин Е.С., Коневцов Л.А. Теплофизические процессы в материалах при электроискровой обработке // Труды 2-й международной самсоновской конференции «Материаловедение тугоплавких соединений». Украина, Киев. 2010. С. 97.

5. Гордиенко П. С., Жевтун И. Г., Достовалов В. А. Термодинамическая оценка процесса образования карбида титана на титановых сплавах в электролитах // Материалы международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии», Комсомольск-на-Амуре. 2010. Том 1. С.

483-488.

6. Гордиенко П.С., Верхотуров А.Д., Достовалов В.А, Жевтун И.Г., Панин Е.С., Коневцов Л.А., Шабалин И.А. Эрозия электродов при электрическом пробое // Материалы международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии», Комсомольск-на-Амуре. 2010. Том 2. С.

225-241.

7. Гордиенко П.С., Жевтун И.Г., Достовалов В.А. Термодинамическая оценка процесса образования карбида титана на титановых сплавах в электролитах // Материалы 2-й Международной конференции по химии и химической технологии. Республика Армения, Ереван. 2010. С. 319-321.

8. Жевтун И. Г., Гордиенко П. С., Достовалов В. А. Термодинамические параметры образования карбида титана на титановых сплавах в электролитах // Материалы шестой международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий». Украина, Понизовка. 2010. С.

227.

9. Жевтун И. Г., Гордиенко П. С., Достовалов В. А. Термодинамическая оценка процесса образования карбида титана на титановых сплавах в электролитах // Материалы научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, ДВГТУ. 2010. С. 62 – 66.

10. Гордиенко П. С., Жевтун И. Г., Достовалов В. А. Повышение износостойкости титановых сплавов путем формирования на поверхности локальных участков карбида титана // Тезисы докладов международной конференции HighMathTech. Киев. 2011. С. 164.

11. Жевтун И. Г., Гордиенко П. С., Достовалов В. А., Курявый В. Г. Состав и структура карбидсодержащих локальных участков, формируемых на титановых сплавах в электролитах // Материалы Российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения». Комсомольск-на-Амуре. 2011. С. 203 – 207.

12. Гордиенко П. С., Верхотуров А. Д., Достовалов В. А., Жевтун И. Г.

Термодинамическая оценка процесса образования титансодержащих фаз при разряде в воздушной атмосфере на титановом катоде // Материалы Российской научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в области технологий двойного назначения». Комсомольск-на-Амуре. 2011. С. 58 – 61.

13. Жевтун И. Г., Гордиенко П. С. Состав, структура и механические свойства карбидсодержащих локальных участков на титановых сплавах // Материалы международной конференции по химической технологии ХТ'12. Москва. 2012.

Том 1. С. 187 – 189.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.