Исследование свойств многослойного наноструктурированного покрытия системы Ti—TiN

Получаемые многослойные наноструктурированные покрытия, которые состоят из периодически расположенных слоев из различных материалов нанометровой толщины, например чередующихся Ti и TiN, с характерным размером толщины слоев менее 100 нм и количеством слоев до нескольких десятков, обладают высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Благодаря особенностям строения, ультрамалой толщине слоев и их большому количеству, а также возможности плотного сопряжения слоев различных материалов, наноструктурированные покрытия сочетают в себе качества слоистых систем и специфические свойства нанообъектов.

Многочисленные исследования [4, 7, 8, 10, 17, 35, 40] показали, что с уменьшением толщины пленки до 100 нм ее поверхностные свойства начинают доминировать над объемными. При этом тонкие пленки имеют физические свойства, которые существенно отличаются от свойств объемных образцов из того же материала. Они зависят не столько от химического состава, сколько от формы и размеров наноструктур и во многих случаях на порядки превосходят характеристики монолитных материалов. Объясняется это более совершенной структурой сверхтонких пленок и более высокой внутренней энергией за счет перераспределения вклада в прочностные свойства материала поверхности по сравнению с объемом.

В подавляющем большинстве случаев разрушение деталей авиационных двигателей начинается с поверхности в тонком приповерхностном слое [35, 40], поэтому чрезвычайно важно и экономически более целесообразно разработать технологии получения защитных и упрочняющих покрытий, свойства которых по прочности и пластичности недостижимы для традиционных моно- и поли- кристаллических структур. При этом возможна реализация одного из принципов нанотехнологии: создание объекта осуществляется не «сверху вниз» (например, когда при формообразовании снимается припуск с заготовки), а «снизу вверх», когда поверхность «достраивается» до необходимых размеров детали, причем последняя приобретает новое качественное состояние (по прочности, пластичности, износостойкости, коррозионной стойкости и др.).

Толщина осажденных в опыте многослойных покрытий системы Ti—TiN, согласно данным микроструктурного анализа, составила 5—7 мкм. Эти данные согласуются с результатами расчетов весового метода. Исследования адгезионной прочности нанесенных покрытий системы Ti—TiN для различных материалов показали, что покрытия обладают высокой адгезией к основному материалу, что было получено путем изгиба образцов (рис. 6.27) по методике ВИАМ. Исследование отпечатка алмазной пирамидки при увеличении с помощью оптического микроскопа показало отсутствие растрескивания материала покрытия вблизи зоны воздействия, что косвенно свидетельствует о высокой адгезии покрытия.

Исследования адгезионной прочности покрытия

Рис. 6.27. Исследования адгезионной прочности покрытия

На рис. 6.28 показана фотография в оптическом микроскопе начала разрушения покрытия Ti—TiN при увеличении нагрузки на ин- дентор в процессе царапания.

Исследование адгезионной прочности покрытий на приборе Scratch методом царапания показало удовлетворительную адгезию, наблюдаются незначительные сколы по краям царапины, что соответствует требованиям к адгезии.

Оценка адгезионной прочности покрытия на образце ВТ-б с многослойным покрытием Ti—TiN методом царапания

Рис. 6.28. Оценка адгезионной прочности покрытия на образце ВТ-б с многослойным покрытием Ti—TiN методом царапания

Исследования остаточных напряжений осажденных многослойных покрытий, проведенных по методике Давиденкова, показали, что покрытия обладают низким уровнем остаточных напряжений.

Исследования коррозионной стойкости. Определение коррозионной стойкости материалов по приведенной методике является простым и наиболее надежным способом, так как непосредственно указывает количество металла, разрушенного коррозией. Определение потери массы металла дает средние показатели коррозии.

Визуальный осмотр поверхности (рис. 6.29) после коррозионных испытаний показал, что на поверхности образца с трехслойным покрытием наблюдается наличие точечной коррозии, тогда как образцы с наноструктурированным покрытием ее не имеют. На поверхности образца с наноструктурированным покрытием наблюдается изменение цвета покрытия, цвета побежалости.

Образцы с покрытиями после испытания на коррозионную стойкость. Подложка 13Х11Н2ВМФ

Рис. 6.29. Образцы с покрытиями после испытания на коррозионную стойкость. Подложка 13Х11Н2ВМФ:

а — трехслойное покрытие TiN—Ti—TiN; б — наноструктурованное покрытие; в — исходное состояние

Результаты исследования коррозионной стойкости образцов с покрытиями показали, что площадь поражения коррозией у образцов с трехслойным покрытием больше, чем у образцов с нано- структурированным покрытием.

Было проведено исследование коррозионной стойкости образцов с покрытиями весовым методом. Скорость коррозии определялась по изменению массы образца в результате действия коррозионной среды. Результаты исследования скорости коррозии (средние значения по трем образцам) приведены в табл. 6.7. По ним можно сделать вывод, что наибольшую защиту от коррозии обеспечивает наноструктурированное покрытие, нанесенное методом плазменного ассистирования.

Таблица 6.7

Скорость коррозии образцов с покрытиями на основе TiN

Тип

покрытия

Масса до испытания, г

Масса после испытания, г

Площадь образцов, м2

Скорость коррозии, г/(м2*ч)

Исходный

4,5957

4,5876

0,001752

0,021503664

Трехслойное покрытие

4,7816

4,7749

0,017786981

Многослойное

покрытие

3,9581

3,9519

0,016459594

Наноструктурированное

покрытие

4,49775

4,49277

0,013220771

Анализ исследования коррозионной стойкости образцов с покрытиями показал, что скорость коррозии у наноструктурирован- ного покрытия меньше на 25 %, чем у образцов с трехслойным покрытием, на 20 %, чем у образца с многослойным покрытием, и на 38 %, чем у образца без покрытия.

Исследования многослойных наноструктурированных покрытий покрытий композиции Ti—TiN на теплостойкость были проведены на образцах, изготовленных из материалов ВТ-6 и 13Х11Н2ВМФ. Предварительная обработка поверхности — полирование. Замер микротвердости осуществлялся на приборе МИМ-7.

Исследования проводились на экспериментальной установке, позволяющей осуществлять нагрев образцов и проводить измерение температуры посредством термопары. Температуры испытаний Т = 200, 400, 600 °С. Измерение микротвердости проводились через промежутки времени 4, 8, 16, 24 ч для всех трех указанных температур. Количество осажденных слоев — 30.

Анализируя зависимость микротвердости покрытий от температуры (рис. 6.30), можно сделать следующие выводы:

  • • при температуре испытаний Т = 200, 400 °С наблюдается уменьшение микротвердости многослойных покрытий с увеличением времени выдержки. По истечении 24 ч значение микротвердости начинает стабилизироваться в пределах 2200—2300 МПа, разрушение покрытий не наблюдается;
  • • при температуре испытаний, равной 600 °С, после 16 ч выдержки наблюдается резкое падение микротвердости вплоть до разрушения покрытия.
Зависимость микротвердости многослойных покрытий Ti—TiN от времени нагрева

Рис. 6.30. Зависимость микротвердости многослойных покрытий Ti—TiN от времени нагрева

Исследование влияния ионно-плазменных покрытий на усталостную прочность. Для определения влияния одно-, многослойных и наноструктурированных покрытий Ti—TiN на усталостную прочность были проведены исследования на лопатках компрессора и на образцах из авиационных материалов: 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ961-Ш) и титанового сплава ВТ-6.

Испытания лопаток компрессора проводились на электродинамическом вибростенде в нормальных условиях по первой изгибной форме колебаний на лопатках методом «Лестница», анач = 480 МПа на базе N - 2 • 107 циклов. На лопатки наносилось покрытие на основе Ti—TiN, однослойное, многослойное (трехслойное), и нано- структурированное.

Испытания образцов проводились на электродинамическом вибростенде в нормальных условиях онач = 480 МПа (для ЭИ961-Ш) и анач = 560 МПа (для ВТ-6) на базе N = 2 • 107 циклов. На цилиндрические образцы наносилось покрытие на основе Ti—TiN, однослойное, многослойное (трехслойное) и наноструктурированное.

Результаты испытаний представлены в табл. 6.8, 6.9.

Таблица 6.8

Результаты испытаний на усталостную прочность

Номер

испытания

Напряже- ние о, МПа

Частота /, Гц

Результаты испытаний

начало

конец

1

480

238

238

Не разрушилось

2

520

250

250

Не разрушилось

3

560

242

242

Не разрушилось

4

520

250

250

Не разрушилось

5

560

242

242

Не разрушилось

6

520

250

250

Не разрушилось

Таблица 6.9

Изменение предела усталости

Материал

Состояние

обрабатываемой детали

Предел усталости, МПа

Изменение предела усталости,%

ЭИ961-Ш

Без покрытия

480

Покрытие Ti—N

420

-12,5

Многослойное покрытие (3 слоя)

430

-10,4

Наноструктурированное покрытие

460

-4,2

ВТ-6

Без покрытия

560

Покрытие Ti—N

480

-14,2

Многослойное покрытие (3 слоя)

490

-12,5

Наноструктурированное покрытие

520

-7,14

Установлено, что предел усталости для наноструктурированно- го покрытия на материале ЭИ961-Ш выше на 9,5 % по сравнению с однослойным покрытием и на 6,5 % выше, чем на образце с многослойным (трехслойным) покрытием (рис. 6.31).

Для материала ВТ-6 установлено, что предел усталости для наноструктурованного покрытия выше на 10,3 % по сравнению с однослойным покрытием и на 8,3 % выше, чем на образце с многослойным (трехслойным) покрытием (рис. 6.32).

Для материала 13Х11Н2В2МФ-Ш установлено, что предел выносливости для наноструктурованного покрытия соизмерим с пределом выносливости для исходного материала без осажденного покрытия, что показывает, что усталостная прочность образцов с нанострукту- рированным покрытием не снижается после нанесения покрытий (рис. 6.33, 6.34).

Зависимость предела усталости от вида обработки (материал подложки — ЭИ961-Ш)

Рис. 6.31. Зависимость предела усталости от вида обработки (материал подложки — ЭИ961-Ш):

  • 1 — исходное состояние без покрытия; 2 — покрытие Ti—N;
  • 3 — многослойное покрытие (3 слоя); 4 — наноструктурированное покрытие
Зависимость предела усталости от вида обработки (материал подложки ВТ-6)

Рис. 6.32. Зависимость предела усталости от вида обработки (материал подложки ВТ-6):

  • 1 — исходное состояние без покрытия; 2 — покрытие Ti—N;
  • 3 — многослойное покрытие (3 слоя); 4 — наноструктурованное покрытие
Влияние вида покрытия на предел выносливости (подложка — сталь 13Х11Н2В2МФ-Ш)

Рис. 6.33. Влияние вида покрытия на предел выносливости (подложка — сталь 13Х11Н2В2МФ-Ш):

  • 1 — исходное состояние без покрытия; 2 — покрытие Ti—N;
  • 3 — многослойное покрытие (3 слоя); 4 — наноструктурированное покрытие
Влияние вида покрытия на предел выносливости (подложка — ВТ-б)

Рис. 634. Влияние вида покрытия на предел выносливости (подложка — ВТ-б):

  • 1 — исходное состояние без покрытия; 2 — покрытие Ti—N;
  • 3 — многослойное покрытие (3 слоя); 4 — наноструктурированное покрытие

Из табл. 6.9 следует, что во всех случаях наноструктурированные покрытия оказывают более благоприятное воздействие на подложку по сравнению с однослойными.

Повышение усталостной прочности может быть достигнуто снижением остаточных напряжений в многослойных наноструктуриро- ванных покрытиях.

Кроме того, благодаря многослойности покрытия обеспечивается:

  • — плавное снижение остаточных напряжений по толщине;
  • — уменьшение пористости и дефектности покрытия;
  • — увеличение интегральной толщины покрытия без снижения эксплуатационных характеристик;
  • — плавный переход от мягкой основы к твердому функциональному слою.

Исследование эрозионной стойкости. Эрозионное изнашивание лопаток компрессора ГТД от абразивного воздействия содержащихся в воздушном потоке частиц пыли, песка, золы и других веществ является причиной разрушения поверхности лопаток, выхода из строя лопаток, потери газодинамической устойчивости компрессора и сокращения ресурса двигателя или его ремонт.

Эрозионная стойкость образцов с покрытиями оценивалась методом сравнительных испытаний на специализированном стенде по методике, разработанной ВИАМом. Угол атаки пылевоздушного потока — 20°, количество циклов — 10.

Для оценки эрозионной стойкости были изготовлены образцы из материала ВТ-6 с наноструктурированным покрытием Ti—TiN.

Толщина покрытий — 5—7 мкм. Многослойное покрытие было осаждено по предлагаемой технологии с использованием плазменного ассистирования.

В табл. 6.10 представлены сравнительные данные о начальной массе образцов с наноструктурированными покрытиями Ti—TiN и без покрытий, потери их массы в результате воздействия воздушно-абразивной смеси и эрозионной стойкости, вычисленной по формуле

где g3, — потери массы эталонного и испытуемого образца.

Таблица 6.10

Результаты исследований на эрозионную стойкость

Наименование образца с покрытием

Начальная масса, г

Потеря массы, г

Эрозионная стойкость, %

Исходный образец (материал ВТ-6)

4,843155

0,00285

3

ВТ-6 + покрытие TiN (однослойное)

4,75285

0,00197

8

ВТ-6 + наноструктуриро- ванное покрытие Ti—TiN

5,1770

0,00169

13

Как очевидно из табл. 6.10, у образцов ВТ-6 с однослойным покрытием TiN эрозионная стойкость в 1,5 раза выше, чем у исходных образцов ВТ-6 без покрытия.

У образцов ВТ-6 с наноструктурированным покрытием Ti—TiN эрозионная стойкость в 1,9 раза выше, чем у исходных образцов ВТ-6 без покрытия, и в 1,3 раза выше, чем у образцов из материала ВТ-6 с однослойным покрытием TiN.

Осаждение многослойного наноструктурированного покрытия Ti—TiN с параметрами h = 5-ь7 мкм, толщина одного слоя hCJloeB = = 50 нм приводит к повышению коррозионных свойств на 20— 35 % по отношению к однослойным, которое достигается за счет увеличения границ между слоями, что препятствует проникновению коррозии вглубь покрытия, тормозит и устраняет коррозионные процессы на границе «среда — металл». Увеличение числа слоев приводит к дальнейшему повышению коррозионной стойкости.

Результаты исследования показали, что при температурах испытаний 200 и 400 °С наблюдается изменение микротвердости на 25—30 %. При температуре испытаний, равной 600 °С, наблюдается после 16 ч выдержки резкое падение микротвердости, вплоть до разрушения покрытия.

Многослойные наноструктурированные покрытия на основе Ti—TiN с параметрами h = 5-ь7 мкм, hCJloeB = 70 нм обладают более высокой термической усталостью по сравнению с монослойными покрытиями. Увеличение числа слоев и уменьшение их толщины для покрытий Ti—TiN не приводит к повышению сопротивление термической усталости.

Исследования микротвердости образцов с покрытием показали, что при температуре испытаний 200 и 400 °С микротвердость снижается на 25—30 %. При температуре испытаний, равной 600 °С, после 16 ч выдержки наблюдается частичное разрушение покрытия. При дальнейшем повышении температуры испытаний (800 °С) многослойные покрытия теряют свои эксплуатационные свойства и разрушаются в течение А—8 ч.

Результаты исследования усталостной прочности показали, что при проведении испытаний лопаток на контрольном уровне напряжений ок и базовом числе циклов нагружения NK ни одна из лопаток с наноструктурированным покрытием не разрушилась и покрытие сохранило свою целостность до окончания испытания.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >