Самосмазывающиеся Ti/C/MoS2 покрытия на титановом сплаве Ti6Al4V

Представлены результаты исследований формирования интерметаллических покрытий Ti-Al на сплаве Ti6Al4V методом электроразрядной обработки (ЭИЛ) в смеси гранул из титана и алюминия. Было приготовлено пять смесей гранул с концентрацией алюминия от 24 до 88 ат.%. По мере увеличения концентрации алюминия в смеси гранул фазовый состав соответствующих покрытий менялся от αTi и богатых титаном алюминидов на алюминиды, богатые алюминием и Al. По данным EDS анализа, при увеличении содержания алюминия в смеси гранул с 24 до 88 ат.% его концентрация на поверхности покрытий увеличилась с 19 до 68 ат.%. На основании экспериментальных данных концентраций Al и Ti в составе покрытия, а также их равномерного распределения по глубине покрытия доля материала подложки, участвующая в образовании покрытия, определялась по формуле: CMcoating = (1- k) × CMmix + k × CMsubstrate, где CMcoating, CMmix, CMsubstrate - концентрации (в ат.%) алюминия или титана в покрытии, смеси гранул и подложке из сплава Ti6Al4V соответственно; k - мольная доля материала подложки, участвующего в формировании покрытия. Расчетное значение коэффициента k составило 0,2. Поскольку эта зависимость имела линейный характер, величина k не зависит от состава Ti-Al смеси гранул. Это означает, что основным механизмом формирования Ti-Al покрытий при ЭИЛ является конвективное перемешивание расплавленных металлов гранул и подложки при разряде. Образование интерметаллидных фаз происходит после окончания разряда. Величина k зависит от объема расплавленного материала подложки. Это вызвано значительной разницей температур плавления алюминия и титана. Расплавленный алюминий, перенесенный на подложку, не образует металлургическую связку с поверхностью твердого титана. Потенциодинамические поляризационные испытания в 3,5% -ном растворе NaCl показали, что разработтанные покрытия могут улучшить коррозионную стойкость сплава Ti6Al4V. Испытание на высокотемпературную коррозию в течение 100 ч при 900 ° C показало, что образцы с покрытием оксидировались в 1,1–3,4 раза медленнее , чем исходная подложка Ti6Al4V. Наилучшую жаростойкость показали покрытия с самым высоким содержанием алюминия. Электроискровое осаждение покрытий в Ti-Al гранулах повышает микротвердость сплава Ti6Al4V до 6,4–9,4 ГПа. Износостойкость покрытий при сухом скольжении при нагрузках 10 и 25 Н была в 4–27 и 6–36 раз выше, чем износостойкость исходного сплава. Скорость износа покрытий снижалась с увеличением концентрации титана. Морфология поверхности покрытия пронизана сетью трещин толщиной от 0,46 до 1,19 мкм и удельной площадью от 1,5 до 3,4%, которые могут выступать в качестве смазочных карманов для сухой смазки. Микротрещины образуются в результате температурного градиента после окончания разряда. Когда материал быстро остывает, в покрытии возникают растягивающие напряжения из-за разницы в скоростях сжатия покрытия и сплава Ti6Al4V, вызванные более высокими коэффициентами теплового расширения Ti-Al интерметаллидов по сравнению с титаном. Изменение соотношения Ti к Al в смеси гранул не приводит к монотонному изменению толщины и количества трещин. Уменьшение длительности импульсов с 200 до 20 мкс приводит к небольшому уменьшению толщины трещин и значительно увеличивает их общую площадь с 2,1 до 3,4%. Это объясняется увеличением градиента температуры на расстоянии от центра разряда r периферии с уменьшением его продолжительности. В условиях короткого импульса 20 мкс скорость охлаждения материала после его прекращения значительно выше, чем при длительности 200 мкс. Поэтому количество трещин с короткой продолжительностью намного больше. Увеличение частоты следования разрядных импульсов может значительно увеличить толщину трещин в электроискровых Ti-Al покрытиях. Уменьшение количества трещин с увеличением частоты разряда можно объяснить тем, что из-за нагрева подложки градиент температур между покрытием и подложкой уменьшается за счет вторичного нагрева. В то же время пластичность материала покрытия увеличивается при нагревании. Из-за повышенной пластичности трещиностойкость покрытия увеличивается, и образование новых трещин затруднено. В результате этого растягивающие нагрузки приводят к расширению имеющихся трещин. Метод гидротермального синтеза в растворе тиомочевины и молибдата натрия при 220 ° С был использован для заполнения смазочных емкостей в покрытиях дисульфидом молибдена. Показано, что в результате гидротермального синтеза на поверхности образцов образуется слой дисульфида молибдена, состоящий из сферических частиц диаметром 3,09 ± 0,63 мкм. По данным ЭДС, был сделан вывод, что трещины покрытий Ti-Al также заполнены дисульфидом молибдена. Результаты триботехнических испытаний показали, что гидротермическое осаждение MoS2 на покрытиях из Ti-Al снижает коэффициент трения на 30% и скорость износа при сухом трении скольжения в два раза. Исследования показали перспективность гидротермального осаждения MoS2 на покрытиях из Ti-Al для улучшения триботехнических свойств. Антифрикционные слои на сплаве Ti6Al4V были получены путем создания развитой структуры смазочных карманов с сухими самосмазывающимися веществами: дисульфида молибдена и графеноподобного углерода. В данной работе были изучены структура и трибологическое поведение интерметаллических покрытий TiAl после гидротермального осаждения MoS2 и С. Покрытия из алюминидов титана с регулярной сеткой трещин получали электроискровой обработкой сплава Ti6Al4V в эквимолярной смеси гранул титана и алюминия. Травление в растворах HF значительно увеличивает ширину трещины с 0,77 до 4,8 мкм. Жидкофазный гидротермальный синтез был использован для заполнения трещин, действующих в смазочных карманах покрытий. Показано, что на поверхности образцов, с трещинами, в результате гидротермального синтеза формируется слой дисульфида молибдена, состоящий из сферических частиц диаметром 3,09 ± 0,63 мкм. Результаты триботехнических испытаний показали, что гидротермальное осаждение MoS2 на покрытиях TiAl снижает их коэффициент трения до 0,29 и скорость износа в 5,4 раза. Медное покрытие сохраняет слой TiAl во время травления, увеличивая емкость смазочных карманов и снижая скорость износа и коэффициент трения. Применение графеноподобного углерода уступает дисульфиду молибдена по коэффициенту трения: 0.26, против 0,17, соответственно. Срок службы смазки в покрытии TiAl/Cu/HF/MoS2 при начальном удельном давлении 1,95 ГПа достигает 9800 с. Исследования показали перспективность гидротермального осаждения MoS2 на покрытиях из TiAl с медным покрытием и травлением для улучшения трибологических свойств сплава Ti6Al4V.