MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI WARSTW ..., Schematy z Topografia

Pobierz MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI WARSTW ... i więcej Schematy w PDF z Topografia tylko na Docsity! 1-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 45 Halina GARBACZ, Maciej OSSOWSKI, Piotr WIECIŃSKI, Tadeusz WIERZCHOŃ, Krzysztof J. KURZYDŁOWSKI Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI WARSTW MIĘDZYMETALICZNYCH NA STOPIE Ti-6Al-4V Słowa kluczowe Stopy tytanu, fazy międzymetaliczne z układu Ti–Al, metoda duplex, wyżarza- nie jarzeniowe, odporność na zużycie. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury oraz właściwości me- chanicznych warstw międzymetalicznych z układu Ti–Al wytwarzanych metodą duplex na dwufazowym stopie tytanu Ti-6Al-4V. Warstwy otrzymane były na drodze dyfuzji i składały się z podwarstw różniących się składem chemicznym. Zastosowana obróbka cieplna w warunkach wyładowania jarzeniowego zapew- nia wzrost mikrotwardości oraz poprawę odporności na zużycie ścierne, co zwiększa obszar zastosowań stopów tytanu. Wprowadzenie Techniki inżynierii powierzchni odgrywają coraz większą rolę w kształto- waniu właściwości użytkowych stopów tytanu [1]. Znalazły one szerokie zasto- sowanie w przemyśle samochodowym, lotniczym, chemicznym, ciepłowniczym oraz spożywczym. Szeroki zakres aplikacji stopów tytanu związany jest z ich dobrymi właściwościami mechanicznymi i fizycznymi, tj. niską gęstością, wy- soką wytrzymałością właściwą, dobrą odpornością na pełzanie oraz dobrymi właściwościami antykorozyjnymi w wielu środowiskach. Tytan i jego stopy PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 46 wykazują jednak niską odporność na zużycie ścierne, m.in. z powodu powsta- wania szczepień adhezyjnych oraz stosunkowo wysokiego współczynnika tarcia [2]. Posiadają one również skłonność do utleniania powyżej temperatury 500˚C, co istotnie wpływa na ich żaroodporność i zmniejsza zakres zastosowań [3, 4]. W celu zwiększenia odporności na zużycie ścierne oraz na utlenianie w pod- wyższonych temperaturach stosowane są różne metody obróbek powierzchnio- wych tytanu i jego stopów [5–9]. Perspektywiczne są tzw. metody hybrydowe zwane procesami złożonymi lub duplex [10–12]. Polegają na łączeniu ze sobą dwóch (lub kilku) technik inżynierii powierzchni w celu wytworzenia warstw o właściwościach nieosią- galnych w wyniku pojedynczego procesu. Szczególnie dobre rezultaty osiągnię- to przez zastosowanie procesu wyżarzania w warunkach wyładowania jarzenio- wego jako jednego z etapów obróbki metodą duplex. Otrzymane tą metodą war- stwy mają charakter dyfuzyjny. Powstają bowiem na drodze wzajemnej dyfuzji pomiędzy tytanem i aluminium. Posiadają one dobrą odporność na zużycie i do- brą adhezję do podłoża. Procesy jarzeniowe są z powodzeniem stosowane do obróbki powierzchniowej wielu materiałów, m.in. w azotowaniu i tlenoazoto- waniu stopów tytanu [8, 9]. Metoda duplex łącząca naparowywanie próżniowe lub rozpylanie magnetronowe z procesem utleniania w warunkach wyładowania jarzeniowego stwarza możliwości wytwarzania warstw dyfuzyjnych z faz mię- dzymetalicznych zarówno na stopach niklu, jak i tytanu [5, 10, 12, 13]. Celem pracy było wytworzenie na stopie tytanu Ti-6Al-4V warstw mię- dzymetalicznych z układu Ti–Al metodą duplex. Zastosowana metoda składała się z procesu rozpylania magnetronowego zastosowanego do wytworzenia po- włoki aluminium oraz utleniania w warunkach wyładowania jarzeniowego. W artykule zawarto wyniki badań mikrostruktury, składu fazowego, twardości oraz odporności na zużycie ścierne otrzymanych warstw. 1. Materiał i metodyka badań Badania prowadzono na dwufazowym (α+β) stopie tytanu, którego skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Głównymi pierwiastkami stopowymi tego stopu są aluminium, które stabilizuje fazę α oraz wanad stabilizujący fazę β. Stop Ti-6Al-4V wybrano ze względu na szeroki zakres aplikacji w wielu gałę- ziach przemysłu. Materiał dostarczono od producenta w stanie po przeróbce cieplno-plastycznej. Charakteryzował się on jednorodną mikrostrukturą składa- jącą się z równoosiowych ziarn fazy α oraz fazy β znajdującej się na granicy ziaren fazy α (rys. 1). Z użyciem programu MicroMeter, opracowanego na Wy- dziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, wyznaczono wiel- kość ziarna oraz udział procentowy fazy α, które wyniosły odpowiednio dα= 4,7 µm oraz Vv = 78% (rys. 2). 1-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 49 poszczególnych podwarstw podano w tabeli 2. Na rysunku 5 przedstawiono mikrostrukturę przekroju poprzecznego warstwy z zaznaczonymi punktami ana- lizy składu chemicznego. Tabela 2. Skład chemiczny w warstwie Rys. 6. Dyfraktogram stopu Ti-6Al-4V z warstwą międzymetaliczną Analiza półilościowa zawartości pierwiastków w obszarze nr 1 (przy po- wierzchni warstwy) wykazała obecność aluminium i tlenu, którego nie stwier- dzono w pozostałych obszarach. Wraz z oddalaniem się od powierzchni zawar- tość tytanu wzrasta, natomiast zawartość aluminium maleje. Stosunek ilości tytanu i aluminium w obszarze 2 wynosił 1:2,25; w obszarze „4” 1:1; natomiast w obszarze „6” 1:3. W celu identyfikacji faz występujących w warstwie prze- prowadzono rentgenowską analizę fazową (rys. 6), która wykazała obecność Skład chemiczny [% at.] Po- miar Ti Al O2 V 1 9,53 42,53 47,49 0,44 2 30,35 68,06 - 1,59 3 34,83 63,62 - 1,55 4 50,04 47,65 - 2,31 5 72,94 23,99 - 3,06 6 85,15 12,38 - 2,47 7 85,69 11,68 - 2,63 8 87,78 9,66 - 2,56 Rys. 5. Mikrostruktura warstwy SEM PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 50 w warstwie faz międzymetalicznych z układu Ti–Al, oraz potwierdziła istnienie tlenku Al2O3. Można zatem stwierdzić, iż utlenianie w warunkach wyładowania jarzeniowego stopu tytanu Ti-6Al-4V pokrytego powłoką aluminium prowadzi do powstania warstwy składającej się z kilku podwarstw o następującym skła- dzie fazowym: Al2O3+TiAl3+TiAl+TiAl3. Kolejność powstawania poszczegól- nych faz jest ściśle określona i zależy od ich energii swobodnej w danych wa- runkach termodynamicznych [16]. 2.2. Topografia powierzchni Stan powierzchni materiału wpływa na wiele właściwości takich, jak od- porność zmęczeniowa, odporność na zużycie ścierne i korozję. Powierzchnia warstwy tlenkowej posiadała jednorodną strukturę, nie zaobserwowano żadnych pęknięć i nieciągłości (rys.7a). Jak wykazały badania, topografia zewnętrznej powierzchni warstw międzymetalicznych otrzymanych w wyniku zastosowania metody duplex nie odzwierciedla topografii powierzchni materiału podłoża [10, 11, 14]. Na rozwinięcie powierzchni zewnętrznej warstwy miały wpływ procesy technologiczne wykorzystywane w metodzie duplex, a także mechanizm wzrostu tlenku aluminium, ponieważ warstwa tlenkowa (Al2O3) nie tworzy się jednorodnie na całej powierzchni, ale w wyniku zarodkowania i wzrostu. Na powierzchni widoczne są duże sferyczne zagłębienia o średnicy ok. 10 µm i głębokości ok. 300 nm (rys. 7b), które zaobserwowane zostały również w mikroskopie skaningowym i związane są z mechanizmem wzrostu warstwy tlenkowej. Topografia powierzchni związana jest prawdopodobnie z bombar- dowaniem powierzchni jonami argonu w procesie utleniania jarzeniowego. Na wzniesieniach powierzchni koncentruje się większa ilość ładunku, co tłumaczy intensywniejsze rozpylanie tych miejsc jonami argonu. Prowadzi to do obniżenia chropowatości warstwy tlenkowej po procesie utleniania jarzeniowego w porównaniu z warstwą Al2O3 otrzymaną bez zewnętrznego pola elektrycznego. Rys. 7. Powierzchnia warstwy tlenkowej: a) SEM; b) AFM a) b) 1-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 51 2.3. Badania twardości W celu wstępnej charakterystyki właściwości mechanicznych otrzymanych warstw wykonano pomiary twardości przy obciążeniu 100 mN. Na rysunku 8 przedstawiono krzywe obciążenie–przemieszczenie oraz wartości średnie nano- twardości dla materiału w stanie wyjściowym, po procesie nanoszenia powłoki aluminium metodą rozpylania magnetronowego oraz po utlenianiu w warunkach wyładowania jarzeniowego. W wyniku przeprowadzonej obróbki powierzch- niowej nanotwardość powierzchniowa wzrosła niemal dwukrotnie z 5,67 GPa dla stanu wyjściowego do 9,89 GPa dla materiału z warstwą. Wzrost ten jest spowodowany przede wszystkim tworzeniem się zewnętrznej strefy Al2O3, jak również obecnością faz międzymetalicznych pod tlenkiem aluminium. Naj- mniejszą twardość uzyskano dla materiału po procesie rozpylania magnetrono- wego, co jest wynikiem obecności powłoki czystego aluminium. Pomiary nano- twardości dla materiału po procesie rozpylania magnetronowego charakteryzo- wały się niewielkim rozrzutem wyników. Świadczy to o dużej jednorodności powłoki aluminium otrzymanej tą metodą, co jest istotne w dalszych etapach obróbki powierzchniowej. Większy rozrzut wyników uzyskano na powierzchni warstwy po utlenianiu. Było to spowodowane zmienną grubością zewnętrznej podwarstwy Al2O3. a 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 500 1000 1500 Przemieszczenie [nm] S iła [u N ] b 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 500 1000 1500 Przemieszczenie [nm] S iła [u N ] c 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 500 1000 1500 Przemieszczenie [nm] S iła [u m ] d 2,20 5,67 9,89 0 2 4 6 8 10 12 14 T w ar d o ść [ G P a] Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V+Al Ti-6Al-4V+TiAl Rys. 8. Krzywe obciążenie – przemieszczenie dla materiału: w stanie wyjściowym (a), z powłoką aluminium (b), z warstwą (c); wartości średnie nanotwardości (d) PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 54 Praca naukowa finansowana ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloletniego pn. „Dosko- nalenie systemów rozwoju innowacyjności w produkcji i eksploatacji w latach 2004–2008”. Bibliografia 1. Wierzchoń T.: Materials Science Forum, vol. 426-432 (2003), 2563. 2. Sobiecki J.R., Wierzchoń T.: Surface and Coating Technology, 200 (2006), 4363. 3. Gurrapa I., Goagia A.K.: Surf. Coat. Technol. 139 (2001), 216. 4. Leyens C., Peters M., Kaysser W.A.: Surface Coating Technology 94–95 (1997), 34. 5. Garbacz H., Widlicki P., Wierzchoń T., Kurzydłowski K.J.: Surface Co- ating Technology 200 (2006), 6207. 6. Czyrska-Filemonowicz A., Buffat P.A., Wierzchoń T.: Saripta Materialia 53 (2005), 1439. 7. Sobiecki J.R., Wierzchoń T.: Vacuum 79 (2005), 203. 8. Czarnowska E., Wierzchoń T., Maranda-Niedbała A., Kaczmarewicz E.: Journal of Mater ial Science: Materials In Medicine 11 (2000), 73. 9. Sobiecki J.R., Wierzchoń T.: Vacuum 79 (2005), 203. 10. Wierzchoń T., Sobiecki J.R., Ossowski M., Sitek R., Słoma J.: Sposób wy- twarzania ochronnych warstw kompozytowych warstw powierzchniowych na elementy ze stopu niklu lub tytanu, zgłoszenie patentowe nr P366529 z dn. 23.03.2004 r. 11. Wieciński P., Garbacz H., Ossowski M., Wierzchoń T., Kurzydłowski K.J.: Key Engineering Materials 333 (2007), 285–288. 12. Wierzchoń T.: Surface Coatings Technology, 180–181 (2004), 248. 13. Wierzchoń T., Garbacz H., Ossowski M., Materiale Science Forum 475–479 (2005), 3883–3886. 14. Wieciński P., Garbacz H.: XXXIV Szkoła Inżynierii Materiałowej Kraków- Krynica 2006. 15. Polska Norma – PN-83/H-04302. Metoda badania odporności na zużycie przez tarcie „trzy wałeczki + stożek”. 16. Romankov S.E., Muskashev B.N., Ermakov E.L., Muhamedshina D.N.: Surface Coating Technology 180–181 (2004); 280–285. Recenzent: Marek BLICHARSKI 1-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 55 Microstructure and properties of the intermetallic layers on the Ti-6Al-4V titanium alloy Key words Titanium alloys, intermetallic phases from Ti-Al system, duplex method, glow annealing, wear resistance. Summary The paper presents the results of the investigation of the microstructure of Ti–Al intermetallic layers obtained on a Ti-6Al-4V titanium alloy by the duplex method. It has been found that this surface engineering technique yields multi – layered coatings with diffusive character. The layer contains intermetallic phases from Ti–Al system and increased microhardness and wear resistance of the Ti-6Al-4V alloy. These advantageous properties widen significantly the application range of the titanium alloy. PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 56