Формирование структуры и свойств износостойких покрытий на интерметаллидной основе в процессе твердо- и жидкофазного взаимодействия в системах Ti – Fe, Ti – Cu, Fe - Al

Объектом исследования является процесс формирования структуры и свойств износостойких покрытий на интерметаллидной основе в результате реализации твердо- и жидкофазного взаимодействия в системах Ti-Fe, Ti-Cu, Fe-Al. Цель работы: повышение износостойкости деталей и узлов металлургического и машиностроительного назначения путем создания интерметаллидных покрытий на базе исследования закономерностей формирования их структуры и фазового состава при целенаправленной интенсификации диффузионного взаимодействия между разнородными металлами. Научная новизна заключается в создании нового подхода к получению износостойких покрытий путем интерметаллизации поверхностных слоев в системах Ti-Fe, Ti-Cu, Fe-Al, базирующегося на выявленных температурно-временных условиях и закономерностях формирования металло-матричных структур при твердо- и жидкофазном взаимодействии. Экспериментально доказано, что снижение содержания углерода в стальных слоях титано-стального многослойного композита приводит к увеличению скорости роста диффузионной зоны на его межслойных границах за счет минимизации толщины входящей в ее состав прослойки карбидов титана, блокирующей процесс гетеродиффузии. Методами энергодисперсионного анализа выявлено формирование в процессе термической обработки многослойных титано-стальных СКМ в центральной части диффузионной зоны между сходящимися диффузионными потоками прослойки, содержащей метастабильную фазу Ti4Fe, отсутствующую на диаграмме состояния сплавов системы Ti-Fe. Выявлены легирующие элементы, позволяющие интенсифицировать процесс формирования зоны взаимодействия в системе Ti-Cu за счет понижения температуры, при которой расплавленный при контактном плавлении металл находится в равновесии с твердыми фазами, и обеспечивающие повышение твердости и износостойкости полученного покрытия появлением в его структуре дисперсных включений тройных интерметаллидов. Показано, что одним из способов интенсификации формирования зоны взаимодействия в системе Ti-Cu может быть обработка высококонцентрированным источником нагрева медной плакировки, которая при ее проплавлении совместно с титановой основой дает возможность управления структурно-фазовым составом формируемого покрытия. При этом в зависимости от толщины медного слоя структура покрытия может варьироваться от медной матрицы с включениями вторичных интерметаллидных фаз до смеси купридов титана (βTiCu4, Ti2Cu, Ti2Cu3 и TiCu2) с твердостью от 1,5 до 6,0 ГПа, что способствует повышению износостойкости покрытия. Инициирование процесса алитирования стали позволило за счет использования эффекта ускорения диффузии при ультразвуковом воздействии на расплав создавать условия для минимизации времени, необходимого для получения при прочих равных условиях алитированного слоя уменьшенной на 30 – 50 % толщины и повышенной на 15 – 25 % сплошности. Последующая термообработка обеспечивает полную трансформацию такого слоя в формируемое интерметаллидное покрытие. Практическая значимость обусловлена успешным решением комплекса вопросов по установлению взаимосвязи структуры, химического и фазового состава с технологическими параметрами операций многостадийного технологического процесса (сварки, обработки давлением, термической обработки) получения износостойких слоистых металло-интерметаллидных покрытий; на базе выполненных исследований разработаны рекомендации по целенаправленному управлению структурой и фазовым составом слоистых функциональных многослойных покрытий различных систем на интерметаллидной и металло-интерметаллидной основах; созданные металло-интерметаллидные покрытия внедрены на предприятиях металлургического и машиностроительного комплекса.