Спеченные порошковые высокоэнтропийные катоды-мишени для износостойких покрытий

Введение

Одной из важных задач современного машиностроения является повышение долговечности и надежности изделий, их конкурентоспособности и эффективности как на внутреннем, так и на мировом рынке на основе повышения эффективности лезвийной обработки резанием. При оснащении современных высокоскоростных станков системами числового программного и адаптивного управления наиболее слабым звеном технологической цепочки является металлорежущий инструмент, существенно сдерживающий как производительность обработки, так и улучшение показателей качества обработанной поверхности детали. В настоящее время те износостойкие покрытия, которые получаются на режущем инструменте традиционными методами и технологиями путем применения от одного до четырех монокатодов на установке, не позволяют удовлетворить возрастающую потребность на инструмент. Особенно актуален инструмент с покрытием при работе в режиме высокоскоростной обработки, повышенных температурно-силовых нагрузках в контактной зоне и применении в качестве обрабатываемого материала высокопрочных, жаростойких хромоникелевых и титановых сплавов.

Вместе с тем в настоящее время все большее развитие поучают работы [1 – 3], связанные с порошковой металлургией. Возросший научный интерес к этому направлению связан с тем, что:

– оно всегда определяло технологический прогресс и технический уровень машиностроительного производства;

– при отсутствии возможности изготовления традиционными способами оно позволяло создавать детали и получать принципиально новые материалы со свойствами, существенно улучшающими их эксплуатационные характеристики [4; 5].

Исходя из вышеизложенного, целью исследования является разработка технологии электроискрового спекания порошкового материала с последующей оценкой свойств и необходимости обеспечения работоспособности в качестве катодов-мишеней для нанесения многокомпонентных износостойких покрытий на металлорежущем инструменте.

Теоретико-экспериментальные предпосылки

В настоящее время большой интерес вызывают покрытия, полученные путем применения высокоэнтропийных сплавов, которые обладают рядом уникальных свойств, таких как высокая температуростойкость, износостойкость, твердость, прочность [6 – 9]. В то же время, свойства синтезируемых покрытий такого типа напрямую зависят от их элементного состава и технологии нанесения, что требует проведения научных исследований как в направлении поиска рационального состава высокоэнтропийного покрытия, так и в части технологии их синтеза на основе разработки процессов получения высокоэнтропийных катодов-мишеней [10; 11], позволяющих формировать износостойкие покрытия на режущем инструменте.

В области разработки, создания и применения высокоэнтропийных сплавов проведено множество научно-исследовательских работ [12 – 15]. К особенностям таких сплавов относятся:

– характерное повышенное значение энтропии смешения (S_mix) в отличие от традиционных многокомпонентных материалов [16];

– получение уникальных механических свойств осуществляется за счет особенностей термических явлений, диффузионной активности атомов при определенных механизмах структурирования и фазообразования [17];

– на формирование кристаллической решетки значительное влияние оказывают железо, никель, молибден, алюминий и др.;

– для прогнозирования фазового состава используются двойные или тройные диаграммы состояния [18];

– введение легирующих элементов позволяет обеспечить твердорастворное упрочнение, а также выделение в них дискретных фаз [19];

– эти сплавы занимают особую группу [20].

При этом, согласно работам [5; 9; 15], некоторые полученные высокоэнтропийные сплавы обладают отличительными уникальными свойствами по сравнению с материалами специального назначения, полученными традиционными способами (в частности, по твердости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и термостабильности).

Методика и оборудование для экспериментальных исследований

Основным способом получения высокоэнтропийных материалов является литье в комбинации с различными методами плавления [20]. Однако, как показывает анализ исследований в области порошковой металлургии, интересные результаты получаются при применении методов спекания порошков для получения высокоэнтропийных материалов, среди которых можно выделить искровое плазменное спекание (spark plasma sintering (SPS)) [6; 7; 12]. Исходя из вышеизложенного, методические комплексные работы проводились в два взаимосвязанных этапа в лабораториях искрового плазменного спекания Центра новых материалов и технологий Государственного инжинирингового центра при МГТУ «СТАНКИН». На первом этапе для получения катодов-мишеней были проведены исследования по разработке технологии получения высокоэнтропийных катодов-мишеней, на втором этапе – по нанесению и испытанию полученных покрытий. Ниже представлены работы по первому этапу, т. е. получение и испытание катодов-мишеней из порошкового материала.

Для научно обоснованного выбора составляющих порошковой композиции для электроискрового спекания катодов-мишеней проведен анализ и выбор коммерчески доступных металлических порошков для одной композиции из более чем 12 наиболее эффективных элементов износостойких покрытий для инструмента. После определения количественного и качественного состава (с учетом правила Юм–Розери) исследуемых композиций высокоэнтропийных катодов-мишеней методически все виды работ и испытаний проводились в следующей последовательности:

– приготовление порошковой композиции с обеспечением необходимого гранулометрического состояния составляющих порошковой композиции;

– предварительная подпрессовка порошковой композиции в матрице ручным гидравлическим прессом «3851 Manual BenchTOP 12» (Carver, США);

– искровое плазменное спекание осуществлялось на установке «KCE-FCT-H-HP-D25-SD» (FCT, Германия) при вариации температурного режима с интервалом 50 °С от 500 до 1600 °С;

– давление прессования 25, 50, 80 и 100 кН;

– скорость нагрева 50 и 100 °С/мин;

– время выдержки 1, 2, 3, 4 и 5 мин;

– размеры образцов 20 и 80 мм.

В натурных экспериментальных исследованиях основные характеристики катодов-мишеней оценивались путем применения современных методов и оборудования:

– плотность определялась гидростатическим методом;

– твердость измерялась твердомером «Wilson Rockwell» серии 574 (Германия);

– электропроводность определялась фазовым вихретоковым методом с использованием портативного прибора «Fischer SIGMASCOPE» (Helmut Fischer GmbH+Cо.KG, Германия);

– элементный, качественный и количественный составы оценивались соответственно методами электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе «Phenom ProХ» (Нидерланды) и настольным рентгеновским дифрактометром «Дифрей-401к» (Россия).

Результаты испытаний и их обсуждение

Полученные образцы высокоэнтропийных катодов-мишеней (Al₂₀ – Ti₂₀ – Zr₁₅ – V₁₅ – Cr₁₅ – Nb₁₅; Al₂₀ – Hf₁₅ – Mo₁₅ – Co₁₅ – Ta₁₀ – W₁₀ – Zr₁₅; Al₂₀ – Hf₁₅ – V₁₅ – Cr₁₅ – Ti₁₅ – Ta₁₀ – W₁₀; Al₂₀ – Hf₁₀ – Ni₁₅ – Ti₂₅ – W₁₀ – Zr₂₀; Mo₂₀ – Nb₂₀ – Ni₂₀ – Ta₂₀ – W₂₀; Nb₂₀ – Hf₂₀ – Ti₂₀ – Zr₂₀ – Ta₂₀ и др.) подвергались различным испытаниям с учетом необходимости дальнейшего их использования при нанесении наноструктурированных покрытий на металлорежущий инструмент. Одними из основных показателей, относящихся к катодам-мишеням, являются (кроме гранулометрического состава порошковой композиции) плотность, твердость, электропроводность, а также элементный, качественный и количественный составы (см. таблицу). По результатам проведенных исследований установлено, что увеличение температуры спекания ведет к росту относительной плотности, повышению твердости и электропроводности.

Выводы

По результатам выполненных исследований разработан технологический процесс искрового плазменного спекания композиций высокоэнтропийных катодов-мишеней для последующего синтеза износостойких покрытий на режущий инструмент. Получены оптимальные составы композиций и режимы их спекания с обеспечением необходимых структур и физико-механических свойств. Экспериментально подтверждена возможность получения высокоэнтропийных катодов-мишеней методом искрового плазменного спекания. При этом установлено влияние температуры спекания на структуру и свойства спеченных образцов высокоэнтропийных катодов-мишеней и выявлены зависимости физико-механических свойств высокоэнтропийных катодов от технологических режимов процесса SPS. Разработка и внедрение катодов-мишеней из высокоэнтропийных сплавов позволят достичь таких положительных результатов в машиностроительном производстве, как повышение эффективности высокоскоростной обработки резанием и получение композиционных износоустойчивых покрытий с различными эффектами при лезвийной обработке резанием (формирование вторичных и алмазоподобных структур в контактной зоне и, как следствие, адаптация и самоорганизация при трении и изнашивании).