Структура та властивості захисних гібридних покриттів TiN/Al2O3 та TiN/Cr/Al2O3

Abstract

Дисертація присвячена встановленню закономірностей формування структури і морфології гібридних покриттів на поверхні сталі AISI 321, визначенню впливу параметрів низькоенергетичних високошвидкісних електронних пучків на процеси масоперенесення і фазових перетворень у складі захисних шарів, а також вибору оптимальних умов і режимів модифікації їх властивостей. Осадження порошкового підшару Al2O3 супроводжується нагріванням поверхні підкладки вище температури плавлення, що приводить до вплавлення частинок у приповерхневу область сталі і дозволяє сформувати покриття з аморфно-кристалічною структурою на основі - і метастабільних фаз (-, -, -, -) Al2O3. Подальша вакуумно-дугова конденсація плівок TіN і Cr на підшар оксиду алюмінію супроводжується частковим зниженням його шорсткості і появою ГЦК- та тетрагональної (-) модифікацій TіN. Виконане комплексне дослідження змін у морфології, будові по глибині і фазовому складі захисного шару при термічній обробці поверхні електронним пучком. Для якісного опису результатів проведена оцінка температури поверхні залежно від часу дії і параметрів низькоенергетичного високошвидкісного електронного пучка. Встановлені умови і режими, які приводять до зменшення розмірів неоднорідностей поверхні і дозволяють активувати процеси відновлення -фази Al2O3 з її метастабільних модифікацій. Під впливом низькоенергетичного високошвидкісного електронного пучка відбувається перерозподіл атомів Ti, N і Сr вглиб порошкового підшару, а також його зневуглецьовування і збільшення вмісту атомів С на поверхні покриття. Розрахунок ефективного коефіцієнта масоперенесення атомів Ті дає величину  10-13-10-12 м2/с. Вивчення механічних властивостей покриттів свідчать про сильний вплив фазового складу на величину мікро- і нанотвердості. Осадження Сr і TіN в комбінації з електронно-променевою обробкою сприяє підвищенню корозійної стійкості поверхні. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3498

Диссертация посвящена установлению закономерностей формирования структуры и морфологии гибридных покрытий на поверхности стали AISI321, определению влияния параметров низкоэнергетических сильно-точных электронных пучков на процессы массопереноса и фазовых превращений в составе защитных слоев, а также выбору оптимальных условий и режимов модификации механических и коррозионных свойств покрытий TiN/Al2O3 и TiN/Cr/Al2O3, полученных при помощи плазменно-детонационного и вакуумно-дугового методов осаждения. Теоретический расчет и анализ особенностей строения переходной области покрытие/подложка показали, что осаждение порошкового под-слоя Al2O3 высокоскоростными потоками импульсной плазмы (при выбранных условиях) сопровождается нагреванием поверхности подложки свыше температуры плавления, что приводит к вплавлению осаждаемых частиц в приповерхностную область стали и позволяет сформировать покрытие (толщина  60 мкм) с высокой адгезией. При этом в исходном материале (-фаза Al2O3) активируются фазовые превращения типа ,  и , вследствие чего образуется аморфно-кристаллическая структура на основе - и метастабильных фаз (-, -, -, -) Al2O3. Последующая вакуумно-дуговая конденсация пленок TiN и Cr на подслой оксида алюминия сопровождается частичным понижением его шероховатости и дополнением фазового состава покрытия кубической (ГЦК) и тетрагональной (-) модификациями TiN. Показано, что пленка Cr в составе гибридных покрытий препятствует процессам диффузии атомов Ті в подслой оксида алюминия. Выполнено комплексное исследование возникающих при термической обработке поверхности электронным пучком изменений в морфологии, строении по глубине и фазовом составе защитного слоя. Для качественного описания полученных результатов на основании решения задачи о нагреве полубесконечного тела проведена оценка температуры поверхности гибридного покрытия в зависимости от времени воздействия и энергетических параметров низкоэнергетических сильноточных электронных пучков. Установлены условия и режимы электронно-лучевой обработки, которые приводят к снижению размеров неоднородностей поверхности (за счет оплавления микровыступов) и позволяют активировать процессы фазовых превращений, вследствие чего происходит восстановление -фазы Al2O3 из его метастабильных модификаций. Количественный фазовый анализ пока-зал, что, варьируя время обработки и плотность мощности низкоэнергетических сильноточных электронных пучков, можно получить повышение объемной доли -Al2O3 до 95об.%. Однако использование интенсивных электронных пучков может приводить к деформации тонкостенных подложек и появлению микротрещин из-за увеличения плотности оксида алюминия при фазовом переходе . Применение поэтапного нагревания TiN/Al2O3 до Т11730 К и Т23100 К сопровождается плавлением защитного слоя на всю глубину, формированием сплавленной низкошероховатой поверхности и предотвращает возникновение трещин. Установлено, что под влиянием низкоэнергетических сильноточных электронных пучков происходит перераспределение атомов Ti, N и Сr вглубь порошкового подслоя, а также его обезуглероживание с увеличением содержания атомов С на поверхности покрытия. Расчет эффективно-го коэффициента массопереноса атомов Ті дает величину  10-13-10-12 м2/с. Двукратная электронно-лучевая обработка TiN/Al2O3 приводит к переносу атомов Ti и N на глубину порядка 5 и 8,2мкм соответственно. Для оценки эффективности выбранных режимов электронно-лучевой обработки проведено исследование механических и коррозионных свойств покрытий. Анализ данных указывает на сильное влияние фазового состава на величину микро- и нанотвердости. Показано также, что осаждение слоев Сr и TiN в комбинации с последующей электронно-лучевой обработкой приводит к значительному повышению коррозионной стойкости поверхности. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3498

The thesis is devoted to the general principles determination of the hybrid coatings structure and morphology forming on steel surfaces AISI 321, the study of the influence of the high-current electron beam parameters of the mass-transfer processes and phase transformations in composition protective layers, as well as to the exposure, of the optimum conditions and to their properties modification modes. The powder syblayer Al2O3 deposition is accompanied with the surface heating that`s higher than temperature of melting and it allows to form coating with an amorphouslycrystalline structure on the basis of Al2O3 - and metastable phases (-, -, -, -). The following vacuum-arc condensation of films TіN and Cr on Al2O3 is accompanied with the partial decline of its roughness and FCC- and tetragonal TіN modifications appearance. The changes in morphology and protective layer phase composition of surface heat treatment with electron beam is were complex researched executed. The surface temperature estimation, depending on the influence time and high-current electron beam power parameters, was executed for the sake of qualitative description of results. The were set fixed terms and modes of the electron beam treatment, which lead to the diminishing of surface heterogeneities dimensions and allow to activate the Al2O3 -phase restore processes from its metastable modifications. There is a Ti, N and Сr atoms redistribution in depth of powder sublayer and increase of C atoms contain on the coating surface under the influence of high-current electron beam. The calculation of Ti atoms mass-transfer effective coefficient results in the value  10-13-10-12 m2/s. The coatings mechanical properties study shows the high influence of phase composition on a micro- and nanohardness value. The Сr and TіN deposition in combination with the electron beam treatment leads to the surface corrosion resistance. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3498