ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАПЛАВКИ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ТИТАН-МЕДЬ

Ключевые слова: титан, медь, куприды титана, алюминиевая бронза, аргонодуговая наплавка, наплавленный валик, металл шва, жаростойкость, износостойкость

Аннотация: Предложена технология формирования на титане поверхностных слоев  на основе сплавов системы  титан-медь  аргонодуговой наплавкой с  применением присадочной проволоки из алюминиевой бронзы. Установлено влияние режимов на химический состав, структуру и свойства наплавленного металла.

Введение

Сочетание высокой износостойкости и низкой теплопроводности делает интерметаллиды системы Ti-Cu перспективными материалами для применения в качестве термобарьерных и износостойких покрытий [1].

Интерметаллидные покрытия из меди и титана обычными газотермическими методами, базирующимися на расплавлении и распылении под действием горючего газа и сжатого воздуха различных материалов в виде порошков, проволоки, специальных шнуров, получить довольно трудно из-за высокой разницы в электропроводности и температуре плавления материалов [2]. Покрытия на основе купридов титана в основном получают диффузионными методами, к которым относится: насыщение в порошковых средах [3], самораспростроняющийся высокотемпературный синтез [1], лазерная обработка [4], контактное эвтектическое плавление [5] и комбинированные способы – электролитическое осаждение с последующей термической обработкой и электроискровое осаждение с лазерной обработкой [6,7].

Успешные работы по получению покрытий высокотемпературным нагревом соединений Сu-Ti, полученных сваркой взрывом, были проведены под руководством Шморгуна В.Г. [1,8-9]. Кроме того, в этих работах было предложено легировать куприды титана алюминием с целью повышения механических и эксплуатационных свойств.

Авторами был предложен способ получения купридов титана путем наплавки меди или медных сплавов на титановые образцы неплавящимся электродом в среде аргона. Целью работы является исследование влияния режимов наплавки на процессы формирования и свойства наплавленных интерметаллидных сплавов системы титан-медь.

Методика проведения экспериментов

Исследования процессов осуществлялись при автоматической аргонодуговой наплавке на образцы из титана ВТ1-0 с применением присадочной проволоки из алюминиевой бронзы СuАl8. Применение алюминиевой бронзы при наплавке обеспечивает легирование сплавов системы титан-медь алюминием.

Наплавку покрытий проводили при постоянном значении силы тока (270А) и скорости наплавки (0,15 м/мин). Скорость подачи присадочной проволоки варьировали в пределах 0,5-3 м/мин.

Износостойкость наплавленных покрытий при абразивном изнашивании определялась способностью его поверхностных слоев противостоять внедрению абразивных частиц и оценивалась относительной износостойкостью при трении образцов о закрепленные абразивные частицы:

e = Dlэ  ,

Dlм

где Δlэ – линейный износ эталона из стали 20; Δlм – линейный износ наплавленного металла.

Жаростойкость наплавленного металла оценивалась путем выдержки образцов с одинаковой площадью поверхности при 800oС в печи сопротивления. Образцы через каждые 50 часов извлекались из печи и c их поверхности удалялся слой оксидов. Образцы с одинаковой площадью поверхности вырезали из наплавленных валиков. Жаростойкость оценивалась по относительному изменению массы образцов.

Исследование структуры, химического состава металла рабочей части и наплавленного слоя проводились методами растровой электронной микроскопии на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия) с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра INCA Wave-500.

Результаты и обсуждение результатов исследования

Проведенная наплавка на титан показала, что управляя скоростью подачи присадочной проволоки можно управлять химическим составом наплавленного слоя за счет изменения доли основного и наплавленного металла, которая определяется геометрическими размерами наплавленного валика. Увеличение скорости подачи проволоки приводит к уменьшению ширины наплавленного валика и глубины проплавления. Величина усиления, при этом, увеличивается (рис.1).

Содержание меди в наплавленном металле изменяется в зависимости от скорости подачи присадочной проволоки в пределах 4-40%, а алюминия в пределах 0,4-2,7% (рис.2). В соответствии с диаграммой состояния фазовый состав наплавленного металла: пересыщенный твердый раствор меди и алюминия в титане или твердый раствор меди и алюминия в титане с включениями фазы Ti2Cu.

Твердость наплавленного металла при содержании алюминия более 4% снижается, что вероятно связано с уменьшением степени пересыщения титана алюминием и медью (рис.3). Износостойкость наплавленного металла во всем исследуемом диапазоне выше износостойкости стали 20. Максимальная относительная износостойкость наблюдалась при скоростях наплавки 2,5-3 м/мин при содержании меди в наплавленном металле 25-35% (рис.3).

Жаростойкость наплавленных валиков во много превышала жаростойкость не наплавленных титановых образцов. С повышением содержания меди жаростойкость наплавленного металла увеличивалась. Минимальная потеря массы не более 7% наблюдалась при содержании алюминия около 25- 30% (рис.4).

Выводы:

1.                   Предложена технология аргонодуговой наплавки на титан жаростойких сплавов системы тина-медь с применением присадочной проволоки из меди или медных сплавов. Управляя режимами наплавки, был получен наплавленный металл с содержанием меди от 4до 40%.

2.                   Максимальная износостойкость и жаростойкость наплавленного металла наблюдалась при содержании меди на уровне 25-30%.

Список литературы

1. Евстрапов Д.А. Формирование структуры и свойств композиционных покрытий системы Cu-Tiна поверхности медных деталей. канд. техн. наук: 05.16.09 Волгоград, 2016 199с.

2.    Marek M.I., 1987, Metals Handbook, 9th Edition, ASM International, Materials Park, OH, U.S.A, Vol.13, pp. 20-21.

3.   Bateni M.R. et al. The effect of novel Ti-Cu intermetallic compound coatings on tribological properties of copper // Annals. – 2003. – Т. 24. – С. 26.

4.   Морозова Е. А. Лазерное легирование поверхности титана медью / Е.А. Морозова, В.С. Муратов. // Успехи современного естествознания. – 2009. – №. 11.

5.   Крашенинников С.В. Исследование процессов формирования покрытий методом диффузионной интерметаллизации / С.В. Крашенинников, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак // Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвузовский сборник научных трудов / ВолгГТУ.- Волгоград, 2002.- C.102- 110.

6.   Радюк А.Г. Формирование диффузионных слоев на поверхности меди и ее сплавов / А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов, А.Е. Украинцев // Цветные металлы. – 2007. – №5. – С. 95–97. 57. Radek N. Experimental investigations of the Cu-Mo and Cu-Ti electrospark coatings modified by laser beam // Advances in Manufacturing Science and Technology. – 2008. – Т. 32. – №. 2. – С. 53-68.

7.   Диффузионные процессы на межслойной границе сваренного взрывом трёхслойного композита системы Cu-Ti / В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, Д.А. Евстропов, А.О. Таубе // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2014. - № 4. - C. 36-39.

8.    Формирование покрытий на основе купридов титана на поверхности меди при контактном плавлении / В.Г. Шморгун, Л.М. Гуревич, О.В. Слаутин, В.Н. Арисова, Д.А. Евстропов // Металлург. - 2015. - № 10. - C. 88-92 = Metallurgist. - 2016. - Vol. 59, Issue 9-10 (January 2016). - C.974-979.

9.    Влияние режимов контактного плавления на структуру и свойства покрытий системы медь – титан / В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, Д.А. Евстропов // Металлург. - 2016. - № 6. - C. 83-86.