1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
В современном машиностроении актуальным направлением является получение высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) [1], необходимых для обеспечения надёжности и ресурса деталей машин и механизмов, работающих в сложных условиях нагружения и агрессивных средах [2-4]. Традиционными технологиями создания ВЭС являются порошковая металлургия и литье, однако цельнолитые детали из ВЭС, произведённые данными методами, являются дорогостоящими по причине содержания в них ценных компонентов в относительно высоких концентрациях, например HfNbTaTiZrMo, AlFeCrNiTiSi и AlCoCrFeNiTi.
Спекание порошковых материалов - энергоемкий, дорогостоящий технологический процесс, требующий специальной подготовки, в частности: измельчения и смешивания компонентов, которое достигается при использовании высокоэнергетических установок (мельницы и дробилки) [5].
При восстановлении деталей и нанесении на них покрытий с необходимыми физико-химическими и физико-механическими свойствами активно применяется технология плазменного напыления (ПН) [1, 6, 7]. При этом, в зависимости от конструкции плазматрона в него подаётся либо подготовленная смесь порошковых материалов, либо раздельно порошковые компоненты в сечения канала плазмотрона, соответствующие температурам плавления компонентов [7]. В обоих случаях адгезионно-когезионная прочность покрытий остаётся низкой и существенно уступает литейным и сварочно-наплавочным технологиям (σ = 80 … 120 МПа, против 600 МПа).
Использование для ПН порошковых смесей, в частности многокомпонентных, требует предварительного их механического смешивания. В то же время известно, что механическое взаимодействие металлов сопровождается ростом потенциальной энергии кристаллической решётки вследствие её остаточной деформации, образованию вакансий, а в целом, к росту её поверхностной химической активности [5]. Кроме этого, под действием механического взаимодействия происходит разрушение окисной плёнки на поверхности металлов, которая оказывает экранирующее действие при сплавлении компонентов, так как оксид имеет более высокую температуру плавления и прочность и/или химическую стойкость, чем сам металл. Например, это имеет место для Аl и его оксида Аl2O3. Несомненно, это препятствует формированию новых металлических соединений при формировании покрытия. провоцирует появление дефектов в покрытии, снижающих его механические свойства и повышает пористость.
По нашему мнению, механическая активация при смешивании может способствовать росту химического взаимодействия порошковых компонентов при формировании покрытия наносимого ПН и, возможно, позволит создать покрытия, обладающие уникальными физико-механическими свойствами, близкими к ВЭС. В свою очередь, это будет способствовать широкому распространению ПН при упрочнении новых деталей и восстановлению изношенных за счёт относительно низкой себестоимости сырья и доступности технологии.
По данным источника [8], качество смешения характеризуется вероятностным распределением частиц компонента и его соотношением с другими компонентами в выбранном объёме смеси. Однако, время смешения варьируется от 40 минут до суток, при этом, оно определяется опытным путём с промежуточным контролем в процессе смешения [9], так как гранулометрический состав материала всегда различен. Это связано с технологиями получения металлических порошков. Время механической активации зависит от способа активации и традиционно составляет не более 90 минут [10-12].
На данный момент, способы механической активации порошков металлов, как отдельный процесс, в котором полностью или частично отсутствует измельчение, требуют апробирования и изучения. Поэтому целью нашей работы стало исследование влияния степени механической активации многокомпонентной смеси металлических порошков при ее перемешивании в предложенном нами смесителе. Контроль качества смешивания и активации осуществлялся по критерию прочности покрытия, полученного плазменным напылением при подаче порошковой смеси в инертной среде.
Научная гипотеза – повышение поверхностной химической активности мелкодисперсных порошковых компонентов механической активацией при их смешивании в инертной среде для последующего создания плазменных покрытий с заданными свойствами.
2 Материалы и методы
В источнике [5] описан механизм механической активации металлического порошка в мельницах и дробилках. Однако, степень помола частиц металла не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к гранулометрическому составу при плазменном напылении. При механической активации с одновременным измельчением в высокоэнергетических установках получаемые частицы имеют размер до 10 мкм в то время, как при напылении оптимальный размер частиц составляет 40-60 мкм, и фракция тонкого помола понижает коэффициент используемого материала за счёт чрезмерной передачи тепловой энергии и испарения.
Для сохранения гранулометрического состава порошковой смеси при ее механической активации предлагается использовать смеситель-активатор (рис. 1), конструкция которого описана в источнике [13].
|
|
|
|
а |
б |
1 – смеситель; 2 – ремённая передача; 3 – привод смесителя (мотор-редуктор); 4 – засыпная
горловина; 5 – шаровой кран; 6 – штуцер присоединения трубки подачи порошка к плазмотрону;
7 – штуцер с обратным клапаном ввода инертного газа; 8 – штуцер к клапану вывода газа; 9 – каркас смесителя-активатора; 10 – винт засыпной горловины
Рисунок 1 – Общий вид смесителя-активатора: а – эскиз; б – фото
Барабан смесителя оснащён отверстием для засыпания и высыпания порошковой смеси и её непрерывной подачи к плазмотрону. В барабане смесителя можно создавать замещающую атмосферу и избыточное давление путём прокачки и замещения воздуха инертным газом через неподвижные штуцера, расположенные на оси.
|
|
|
|
а |
б |
1 – корпус барабан смесителя; 2 – корпус фланца; 3 – шкив; 4 – отверстие для засыпания; 5, 6 – винты затяжки крышки горловины; 8 – винт стопорный шкива; 9 – обратный клапан; 10 – шаровой кран;
11 – штуцер выхода на трубку подачи порошка к плазмотрону; 12, 13 – нормали;
а – барабан смесителя (изнутри); б – узел подачи газа с обратным клапаном
Рисунок 2 – Внутреннее устройство барабана
Внутри барабана размещены перфорированные пластины под углом, обеспечивающим подъём и перемещение порошка от основного объёма к краю. Такое расположение пластин обеспечивает глубокое перемешивание порошковых компонентов с их активным взаимодействием между собой, а также со стенками и пластинами, необходимым для активации поверхности частиц порошка, что, в свою очередь, влияет на качество соединения покрытия с основой при ПН.
Для ПН был выбран состав из 7 компонентов порошка (FeCoCrAlTiCuMo) в эквимолярном соотношении. Так как был запланирован однофакторный эксперимент, режимы смешивания, кроме параметра времени смешивания, были выбраны на постоянном уровне по массе порошка 500 гр. и скорости вращения образцов 60 мин-1.
В процессе смешения-активации брались пробы порошка для визуального контроля качества смешения и состояния смеси с интервалом 10 минут, для чего на некоторое время останавливался барабан.
В качестве транспортирующего газа был использован аргон, состав напылялся на образцы из углеродистой стали 45 ГОСТ 1050-88 с предварительно нанесённым подслоем из порошка
ПР-НХ17СР4 на который напыляли многокомпонентный состав.
Испытания покрытий на адгезионную прочность проводили с помощью оригинального устройства, предварительно протарированного (рис. 3).
|
(а) |
|
(б) |
|
1 – покрытие; 2 – пуансон; 3 – матрица; 4 – нагружающий винт; 5 – втулка; |
Рисунок 3 – Устройство для определения адгезионной прочности покрытия на сдвиг: внешний вид (а) и конструктивная схема (б) устройства
Последовательность подготовки и проведения смешивания порошка была следующей:
− предварительно просушенную в электропечи (1,5 ч) многокомпонентную смесь (FeCoCrAlTiCuMo) засыпали в смеситель и герметично закрывали засыпное отверстие;
− прокачивали аргон через барабан смесителя в течении 5 мин с низкой скоростью потока, периодически останавливая подачу газа и прокручивая барабан, для вытеснения воздуха из труднодоступных мест аргоном;
− создавали избыточное давление аргона, с целью компенсации потерь газа при проведении эксперимента. Качество вытеснения воздуха оценивали газоанализатором (Сигнал-4КМ ГОСТ Р 52350.29.2-2010) по концентрации кислорода;
− запускали вращение барабана с частотой 60 мин-1 в течение 10 мин (1 акт);
− по завершении первого акта смешивания, присоединяли к нижнему штуцеру барабана транспортирующую к плазмотрону магистраль и после поворота барабана на 90-120 °С проводили продувку магистрали аргоном из смесителя для подготовки к последующему ПН;
− осуществляли ПН на предварительно подготовленную поверхность образца (с нанесённым подслоем ПР-НХ17СР4) последовательно в 2 слоя многокомпонентное покрытие, используя в качестве транспортирующего газа аргон;
− по окончании ПН оплавляли напыленное покрытие плазменной струёй;
− после полного остывания испытывали покрытие на прочность (срез), используя оригинальное устройство, представленное на рис. 3.
3 Результаты исследований
В результате проведённых экспериментальных испытаний была получена зависимость (рис. 4), точки которой хорошо аппроксимировалась степенной функцией с доверительным интервалом от ± 11 ... 12 МПа. Анализ зависимости показал, что заметное повышение прочности покрытия происходило после 2520 с (0,7 ч) смешивания (рис. 4), а после 5400 с (1,5 ч) значения прочности покрытия стабилизировались и дальнейшие испытания прекращались. Вероятно, такой результат свидетельствует об исчерпании потенциала механической активации порошковой смеси данного состава (FeCoCrAlTiCuMo) и его влияния на прочность соединения покрытия с основой при постоянных условиях смешения (частота вращения барабана 60 мин-1; масса загрузки 500 гр.).
«Ряд 1» – смешивание в инертной среде (активация); «Ряд 2» – смешивание в воздухе
Рисунок 4 – Зависимость прочности получаемого покрытия от времени смешивания компонентов
4 Обсуждение и заключение
Результаты однофакторного эксперимента показали, что прочность покрытия и его соединения с основой за счёт смешения металлических порошковых компонентов (FeCoCrAlTiCuMo) в оригинальной конструкции смесителя-активатора существенно возрастала в зависимости от времени смешивания. Так, в интервале 500 … 2500 с заметного приращения прочности не наблюдалось, а с повышением продолжительности более 2700 с наблюдалось существенное увеличение прочности покрытия и его соединения с основой (почти двухкратное) с максимальным значением 180 МПа при смешивании более 6000 с (1,67 ч). Увеличение продолжительности смешения не приводило к росту прочности.
Полученные результаты свидетельствуют о влиянии продолжительности смешения многокомпонентного порошкового состава на прочность покрытия, полученного ПН при подаче порошка под срез плазматрона и последующего его оплавления. Сравнительный анализ зависимостей, полученных при смешивании и подаче порошков традиционным способом, показал, что поверхностная механическая активация, вероятно, наступает только в инертной газовой атмосфере, где невозможно повторное восстановление окисной плёнки, вплоть до вхождения порошка в плазменную струю. Для проверки данных утверждений требуется проведение металло- и рентгенографических исследований, которые позволят выявить структурные изменения, возможные аномалии, а также появление новых фаз. Опыты показали, что немаловажное значение на эффект поверхностной активации могут оказывать такие факторы, как состав компонентов и режимы обработки (частота вращения и масса смеси), а также состав инертной атмосферы.
