Формирование защитных плазменных покрытий из композиционных порошковых материалов системы высокотемпературный оксид-ковалентный нитрид (металлоподобный нитрид), полученных методом термодиффузионной модификации

Abstract

Объектом исследования являлись порошки и покрытия из них системы высокотемпературный оксид - ковалентный нитрид (металлоподобный нитрид) с управляемым комплексом физико-механических и эксплуатационных характеристик. Целью работы является исследование закономерностей формирования защитных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками из композиционных керамических порошков системы высокотемпературный оксид - ковалентный нитрид (металлоподобный нитрид), полученных методом термодиффузионной модификации. В процессе работы проведено обоснование выбора модифицирующих элементов из нитридов с ковалентной связью и металлической связью для модифицирования керамики на основе оксида алюминия, исследован механизм модифицирования порошков и определены оптимальные режимы, оказывающие влияние на процесс плазменного напыления и свойства формируемых покрытий; проведено исследование структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств плазменных покрытий из композиционных керамических порошков системы высокотемпературный оксид - ковалентный нитрид (металлоподобный нитрид), полученных методом термодиффузионной модификации. В результате проведенных исследований определены режимы модифицирования и составы активных смесей для получения композиционных порошков на основе оксидной керамики с заданными технологическими характеристиками. Установлено, что модифицирование оксида алюминия нитридами AlN, VN, TaN, TiN методом термодиффузионной обработки приводит к изменению в порошках соотношения между количеством фаз, увеличивается содержание высокотемпературной фазы (корунд), имеющей высокую твердость, с порядка 30 % до 50-70 %. Изменение температуры изотермической выдержки в пределах 800–1000 оС оказывает влияние не только на фазовый состав, но и на размер частиц модифицированных порошков, изменяющийся в результате перестроения кристаллической решетки и уменьшения ее объема при фазовом переходе γ-Al2O3 → α-Al2O3; а также под действием напряжений, возникающих при локальном пластическом деформировании в подвижной порошковой среде, что позволяет улучшить технологические характеристики порошков (текучесть), которые оказывают непосредственное влияние на эффективность нагрева порошка в плазменной струе в процессе напыления. Установлено влияние присутствия нитридов (TaN, AlN, VN, TiN) на структуру и физико-механические свойства исследуемых покрытий. Показано, что происходит повышение твердости покрытий до 1890 HV для Al2O3-AlN, что может быть объяснено образованием в структуре покрытия промежуточные соединения типа шпинелей AlON, и до 1360 HV для покрытий Al2O3-TiN за счет содержания фаз β- TiN и α - Аl2O3 с высокой твердостью. Установлено, что нитриды AlN, TaN, TiN в процессе нагревания частично разлагаются, с образованием металлических фаз, формирующих каркас керамического покрытия и способствующих повышению его прочности и снижению пористости в 2-2,8 раза до 4-6%. Установлено влияние содержания нитридов на триботехнические характеристики покрытий при трении по стали без смазки. Показано, что лучшими триботехническими свойствами обладают плазменные покрытия Al2O3-AlN с содержанием нитрида алюминия 15% по массе, для которых характерно повышение прочности, снижение хрупкости при сохранении высокой микротвердости (1890 HV), а также покрытия Al2O3-TaN с содержанием нитрида тантала в количестве 10%, что объясняется образованием пленок вторичных дисперсных структур на поверхности трения. Определены рекомендуемые условия работы деталей с покрытиями с указанием относительных скоростей скольжения и нагрузки в паре трения для каждого из исследуемых составов. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технологическая инструкция нанесения защитных покрытий Al2O3-TaN, Al2O3-AlN, Al2O3-TiN, Al2O3-VN плазменным напылением порошков, полученных методом термодиффузионной модификации.