MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI WARSTW MIĘDZYMETALICZNYCH NA STOPIE Ti-6Al-4V



Podobne dokumenty
WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW DUPLEX WYTWARZANYCH W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ POKRYTEJ STOPEM NIKLU

WARSTWY WĘGLIKOWE WYTWARZANE W PROCESIE CHROMOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA POWIERZCHNI STALI POKRYTEJ STOPAMI NIKLU Z PIERWIASTKAMI WĘGLIKOTWÓRCZYMI

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK ELEKTROLITYCZNYCH ZE STOPÓW NIKLU PO OBRÓBCE CIEPLNEJ

ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

ĆWICZENIE Nr 3/N. zastosowania. 7. Stopy tytanu stosowane w motoryzacji, lotnictwie i medycynie.

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL

ZNACZENIE POWŁOKI W INŻYNIERII POWIERZCHNI

OTRZYMYWANIE KOMPOZYTÓW METALOWO-CERAMICZNYCH METODAMI PLAZMOWYMI

ROZKŁAD TWARDOŚCI I MIKROTWARDOŚCI OSNOWY ŻELIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE NA PRZEKROJU MODELOWEGO ODLEWU

WŁAŚCIWOŚCI WARSTW AZOTOWANYCH JARZENIOWO, WYTWORZONYCH NA STALI 316L

WYBRANE MASYWNE AMORFICZNE I NANOKRYSTALICZNE STOPY NA BAZIE ŻELAZA - WYTWARZANIE, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Promotor: prof. nadzw. dr hab. Jerzy Ratajski. Jarosław Rochowicz. Wydział Mechaniczny Politechnika Koszalińska

Wpływ metody odlewania stopów aluminium i parametrów anodowania na strukturę i grubość warstwy anodowej 1

Wpływ temperatury podłoża na właściwości powłok DLC osadzanych metodą rozpylania katod grafitowych łukiem impulsowym

Politechnika Politechnika Koszalińska

ANTYŚCIERNE I ANTYKOROZYJNE WARSTWY NOWEJ GENERACJI WYTWARZANE W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ

Innowacyjne warstwy azotowane nowej generacji o podwyższonej odporności korozyjnej wytwarzane na elementach maszyn

WPŁYW CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI MATERIAŁU NA GRUBOŚĆ POWŁOKI PO ALFINOWANIU

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH TYPU CrC+(Ni-Mo)+CrN

Innowacyjne rozwiązanie materiałowe implantu stawu biodrowego Dr inż. Michał Tarnowski Prof. dr hab. inż. Tadeusz Wierzchoń

WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH NA WŁASNOŚCI STOPU ALUMINIUM KRZEM O NADEUTEKTYCZNYM SKŁADZIE

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

IDENTYFIKACJA FAZ W MODYFIKOWANYCH CYRKONEM ŻAROWYTRZYMAŁYCH ODLEWNICZYCH STOPACH KOBALTU METODĄ DEBYEA-SCHERRERA

MIKROSTRUKTURA I ODPORNOŚĆ KOROZYJNA DYFUZYJNYCH WARSTW ALUMINIDKOWYCH WYTWORZONYCH NA PODŁOŻU NADSTOPU NIKLU INCONEL 713C

MODYFIKACJA SILUMINÓW AK7 i AK9. F. ROMANKIEWICZ 1 Uniwersytet Zielonogórski, ul. Podgórna 50, Zielona Góra

43 edycja SIM Paulina Koszla

ZUŻYCIE TRIBOLOGICZNE POWŁOK KOMPOZYTOWYCH Ni-P-Al 2 O 3 WYTWORZONYCH METODĄ REDUKCJI CHEMICZNEJ

WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA WYBRANE WŁASNOŚCI STALIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH TYPU CRC+CRN WYTWARZANYCH PRZEZ POŁĄCZENIE PROCESU CHROMOWANIA PRÓŻNIOWEGO Z OBRÓBKĄ PVD

MECHANIKA KOROZJI DWUFAZOWEGO STOPU TYTANU W ŚRODOWISKU HCl. CORROSION OF TWO PHASE TI ALLOY IN HCl ENVIRONMENT

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna. Przedmiot: BIOMATERIAŁY. Metody pasywacji powierzchni biomateriałów. Dr inż. Agnieszka Ossowska

ANALIZA KRYSTALIZACJI STOPU AlMg (AG 51) METODĄ ATND

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

OCENA WPŁYWU PARAMETRÓW NADTAPIANIA LASEROWEGO W WARUNKACH KRIOGENICZNYCH NA STRUKTURĘ WARSTWY WIERZCHNIEJ NA STOPIE Ti-6Al-4V

TEMAT PRACY DOKTORSKIEJ

MODYFIKACJA STOPU AK64

Tytuł rozprawy: Prof. dr hab. inż. Jerzy Michalski Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wydział Inżynierii Produkcji

Projekt kluczowy. Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym. Segment nr 10

OKREŚLENIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK132 NA PODSTAWIE METODY ATND.

CHARAKTERYSTYKA ZMIAN STRUKTURALNYCH W WARSTWIE POŁĄCZENIA SPAJANYCH WYBUCHOWO BIMETALI

BADANIA PÓL NAPRĘśEŃ W IMPLANTACH TYTANOWYCH METODAMI EBSD/SEM. Klaudia Radomska

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ CRN W WARUNKACH TARCIA MIESZANEGO

NOWE ODLEWNICZE STOPY Mg-Al-RE

WPŁYW TEMPERATURY WYŻARZANIA NA WIELKOŚĆ ZIARNA

MODYFIKACJA BRĄZU SPIŻOWEGO CuSn4Zn7Pb6

BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

WPŁYW GNIOTU WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI POWŁOK Z FAZ MIĘDZYMETALICZNYCH

ZASTOSOWANIE OCHŁADZALNIKA W CELU ROZDROBNIENIA STRUKTURY W ODLEWIE BIMETALICZNYM

ODPORNOŚĆ STALIWA NA ZUŻYCIE EROZYJNE CZĘŚĆ II. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ

Dorota Kunkel. WyŜsza Szkoła InŜynierii Dentystycznej

Zadania badawcze realizowane na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej

Wpływ powierzchniowych warstw azotku tytanu wytwarzanych metodami PVD na właściwości użytkowe stopów aluminium

ĆWICZENIE Nr 8. Laboratorium InŜynierii Materiałowej. Opracowali: dr inŝ. Krzysztof Pałka dr Hanna Stupnicka

ODLEWNICZY STOP MAGNEZU ELEKTRON 21 STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI W STANIE LANYM

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI POWLOK CERAMICZNYCH NA BAZIE CYRKONU NA TRYSKANYCH NA STOP PA30

Wytwarzanie i charakterystyka porowatych powłok zawierających miedź na podłożu tytanowym, z wykorzystaniem plazmowego utleniania elektrolitycznego

Sympozjum Inżynieria materiałowa dla przemysłu

Recenzja. (podstawa opracowania: pismo Dziekana WIPiTM: R-WIPiTM-249/2014 z dnia 15 maja 2014 r.)

Powłoki intermetaliczne otrzymywane w procesie przetapiania i stopowania

BADANIA PORÓWNAWCZE ODPORNOŚCI NA ZUŻYCIE PRZEZ TARCIE AZOTOWANYCH I NAWĘGLANYCH STALI KONSTRUKCYJNYCH

Stopy tytanu. Stopy tytanu i niklu 1

Recenzja Pracy Doktorskiej

(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

A. PATEJUK 1 Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa ul. S. Kaliskiego 2, Warszawa

ĆWICZENIE Nr 8. Laboratorium Inżynierii Materiałowej. Opracowali: dr inż. Krzysztof Pałka dr Hanna Stupnicka

ZMIANY MIKROSTRUKTURY I WYDZIELEŃ WĘGLIKÓW W STALIWIE Cr-Ni PO DŁUGOTRWAŁEJ EKSPLOATACJI

STALE STOPOWE KONSTRUKCYJNE. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

SPAWANIE ELEKTRONOWE I SPAWANIE TIG BLACH Z TYTANU TECHNICZNEGO

WPŁYW PROCESU TARCIA NA ZMIANĘ MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

MATERIAŁY STOSOWANE NA POWŁOKI PRZECIWZUŻYCIOWE

WPŁYW ALUMINIUM NA NIEKTÓRE WŁAŚCIWOŚCI I STRUKTURĘ STALIWA

ŻELIWNE ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE ODPORNE NA ZUŻYCIE ŚCIERNE

PL B1 (13) B1. (51) IntCl6: C23C 8/26. (54) Sposób obróbki cieplno-chemicznej części ze stali nierdzewnej

WĘGLOAZOTOWANIE JAKO ELEMENT OBRÓBKI CIEPLNEJ DLA ŻELIWA ADI

STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI KOMPOZYTÓW ODLEWNICZYCH TYPU FeAl-Al 2 O 3 PO PRÓBACH TARCIA

III Konferencja: Motoryzacja-Przemysł-Nauka ; Ministerstwo Gospodarki, dn. 23 czerwiec 2014

MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA

Własności mechaniczne kompozytów odlewanych na osnowie stopu Al-Si zbrojonych fazami międzymetalicznymi

ZUŻYCIE ŚCIERNE STOPU AK7 PO OBRÓBCE MODYFIKATOREM HOMOGENICZNYM

Technologie PVD w zastosowaniu do obróbki narzędzi

Nazwa przedmiotu INSTRUMENTARIUM BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Instrumentation of research in material engineering

BADANIA WTRĄCEŃ TLENKOWYCH W BRĄZIE KRZEMOWYM CUSI3ZN3MNFE METODĄ MIKROANALIZY RENTGENOWSKIEJ

OBRÓBKA CIEPLNA SILUMINU AK132

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

WyŜsza Szkoła InŜynierii Dentystycznej im. prof. Meissnera

labmat.prz.edu.pl LABORATORIUM BADAŃ MATERIAŁÓW DLA PRZEMYSŁU LOTNICZEGO Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, Rzeszów

ANALIZA ZJAWISKA NIECIĄGŁOŚCI TWORZENIA MIKROWIÓRÓW W PROCESIE WYGŁADZANIA FOLIAMI ŚCIERNYMI

SILUMIN NADEUTEKTYCZNY Z DODATKAMI Cr, Mo, W i Co

ĆWICZENIE Nr 2/N. 9. Stopy aluminium z litem: budowa strukturalna, właściwości, zastosowania.

PRZECIWZUŻYCIOWE POWŁOKI CERAMICZNO-METALOWE NANOSZONE NA ELEMENT SILNIKÓW SPALINOWYCH

σ c wytrzymałość mechaniczna, tzn. krytyczna wartość naprężenia, zapoczątkowująca pękanie

Badania wpływu azotowania jarzeniowego na właściwości użytkowe stali zaworowej 50H21G9N4

SILUMIN OKOŁOEUTEKTYCZNY Z DODATKAMI Cr, Mo, W i Co

ANALIZA KRZEPNIĘCIA I BADANIA MIKROSTRUKTURY PODEUTEKTYCZNYCH STOPÓW UKŁADU Al-Si

... Definicja procesu spawania gazowego:... Definicja procesu napawania:... C D

OKREŚLANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK20 NA PODSTAWIE METODY ATND

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

Laboratorium badań materiałowych i technologicznych. dr inż. Tomasz Kurzynowski

Transkrypt:

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, wyżarzanie jarzeniowe, odporność na zużycie. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych 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 zapewnia wzrost mikrotwardości oraz poprawę odporności na zużycie ścierne, co zwiększa obszar zastosowań stopów tytanu. Wprowadzenie Techniki inżynierii powierzchni odgrywają coraz większą rolę w kształtowaniu właściwości użytkowych stopów tytanu [1]. Znalazły one szerokie zastosowanie 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, wysoką wytrzymałością właściwą, dobrą odpornością na pełzanie oraz dobrymi właściwościami antykorozyjnymi w wielu środowiskach. Tytan i jego stopy

46 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 wykazują jednak niską odporność na zużycie ścierne, m.in. z powodu powstawania 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 podwyższonych temperaturach stosowane są różne metody obróbek powierzchniowych 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 nieosiągalnych w wyniku pojedynczego procesu. Szczególnie dobre rezultaty osiągnięto przez zastosowanie procesu wyżarzania w warunkach wyładowania jarzeniowego jako jednego z etapów obróbki metodą duplex. Otrzymane tą metodą warstwy mają charakter dyfuzyjny. Powstają bowiem na drodze wzajemnej dyfuzji pomiędzy tytanem i aluminium. Posiadają one dobrą odporność na zużycie i dobrą adhezję do podłoża. Procesy jarzeniowe są z powodzeniem stosowane do obróbki powierzchniowej wielu materiałów, m.in. w azotowaniu i tlenoazotowaniu 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 międzymetalicznych zarówno na stopach niklu, jak i tytanu [5, 10, 12, 13]. Celem pracy było wytworzenie na stopie tytanu Ti-6Al-4V warstw międzymetalicznych z układu Ti Al metodą duplex. Zastosowana metoda składała się z procesu rozpylania magnetronowego zastosowanego do wytworzenia powłoki 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 gałęziach przemysłu. Materiał dostarczono od producenta w stanie po przeróbce cieplno-plastycznej. Charakteryzował się on jednorodną mikrostrukturą składającą się z równoosiowych ziarn fazy α oraz fazy β znajdującej się na granicy ziaren fazy α (rys. 1). Z użyciem programu MicroMeter, opracowanego na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, wyznaczono wielkość ziarna oraz udział procentowy fazy α, które wyniosły odpowiednio d α = 4,7 µm oraz Vv = 78% (rys. 2).

1-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 47 Tabela 1. Skład chemicznego stopu tytanu Ti-6Al4V [% mas.] Al V C Fe O 2 N 2 H 2 Ti 6,4 4,1 0,1 0,16 0,18 0,01 0,003 Reszta 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 99 10 10 Średnica ekwiwalentna ziarna [um] Rys. 2. Rozkład wielkości ziarna fazy α Rys. 1. Mikrostruktura stopu tytanu Ti-6Al4V w stanie wyjściowym Próbki ze stopu Ti-6Al-4V pokryto powłoką aluminium metodą rozpylania magnetronowego. Grubość otrzymanej powłoki wynosiła ok. 5 µm. Próbki z naniesioną warstwą aluminium poddano procesowi utleniania w warunkach wyładowania jarzeniowego w temperaturze 680 C w czasie 3 h w atmosferze argonu i powietrza (5%) przy ciśnieniu 4 hpa. Schemat zastosowanej obróbki powierzchniowej przedstawiono na rysunku 3. Rozpylanie magnetronowe Utlenianie w warunkach wyładowania jarzeniowego Rys. 3. Schemat obróbki powierzchniowej zastosowanej w pracy Obserwacji mikrostruktury stopu Ti-6Al-4V oraz wytworzonych warstw dokonano z użyciem mikroskopu świetlnego NIKON EPIPHOT 200. Do analizy składu chemicznego i fazowego wykorzystano elektronowy mikroskop skaningowy HITACHI S 3500N, wyposażony w przystawkę Energy Dispersion Spectroscop (EDS) oraz dyfraktometr rentgenowski D8 DISCOVER Serii 2 firmy Brucker AXS. Badania topografii powierzchni warstw oraz określenie parametrów chropowatości dokonano na mikroskopie sił atomowych Multi Mode Nanoscope ze sterownikiem IIIA (DI). Pomiary twardości powierzchni prze-

48 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 prowadzono na nanotwardościomierzu firmy HISITRON przy obciążeniu 100 mn. Odporność na zużycie przez tarcie określono metodą trzy wałeczki+stożek [14] przy obciążeniach jednostkowych 200 i 400 MPa. Przeciwpróbką była stal C45 po ulepszaniu cieplnym o twardości 30 HRC. Próbę przeprowadzono w ośrodku smarującym. 2. Wyniki badań 2.1. Mikrostruktura W wyniku zastosowanej obróbki powierzchniowej na stopie tytanu Ti-6Al-4V otrzymano warstwę o grubości ok. 10 µm (rys. 4a, b). Nie zaobserwowano pęknięć i złuszczeń zarówno w warstwie, jak również na granicy warstwa podłoże. Obserwacje mikrostruktury wykazały w materiale podłoża obecność jednofazowej warstwy przejściowej składającej się z ziaren fazy α. Zastosowana obróbka powierzchniowa nie zmieniła mikrostruktury podłoża (rys. 4a). Wytwarzanie powłok metodą duplex może być zatem końcową obróbką materiału, która nie będzie wpływać na właściwości materiału podłoża ukształtowane w wyniku obróbki cieplnej lub cieplno-plastycznej. Procesy jarzeniowe przyspieszają bowiem procesy dyfuzyjne, co umożliwia obniżenie temperatury lub skrócenie czasu obróbki powierzchniowej. Jest to duża zaleta tej techniki nie tylko ze względu na stabilność mikrostruktury podłoża, ale również ze względu na obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności procesu technologicznego otrzymywania warstw. Rys. 4. Mikrostruktura warstw na stopie tytanu Ti-6Al-4V wytworzonych metodą duplex; a) mikroskop optyczny; b) SEM Uzyskana warstwa miała charakter dyfuzyjny i składała się z kilku podwarstw (rys. 4b). Punktowa analiza składu chemicznego poszczególnych podwarstw z użyciem elektronowego mikroskopu skaningowego z przystawką EDS wykazała obecność aluminium, tytanu, wanadu oraz tlenu. Skład chemiczny

1-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 49 poszczególnych podwarstw podano w tabeli 2. Na rysunku 5 przedstawiono mikrostrukturę przekroju poprzecznego warstwy z zaznaczonymi punktami analizy składu chemicznego. Tabela 2. Skład chemiczny w warstwie Pomiar Skład chemiczny [% at.] Ti Al O 2 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 Rys. 6. Dyfraktogram stopu Ti-6Al-4V z warstwą międzymetaliczną Analiza półilościowa zawartości pierwiastków w obszarze nr 1 (przy powierzchni warstwy) wykazała obecność aluminium i tlenu, którego nie stwierdzono w pozostałych obszarach. Wraz z oddalaniem się od powierzchni zawartość 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 przeprowadzono rentgenowską analizę fazową (rys. 6), która wykazała obecność

50 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 w warstwie faz międzymetalicznych z układu Ti Al, oraz potwierdziła istnienie tlenku Al 2 O 3. 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 składzie fazowym: Al 2 O 3 +TiAl 3 +TiAl+TiAl 3. Kolejność powstawania poszczególnych faz jest ściśle określona i zależy od ich energii swobodnej w danych warunkach termodynamicznych [16]. 2.2. Topografia powierzchni Stan powierzchni materiału wpływa na wiele właściwości takich, jak odporność 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 (Al 2 O 3 ) 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 bombardowaniem 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 Al 2 O 3 otrzymaną bez zewnętrznego pola elektrycznego. a) b) Rys. 7. Powierzchnia warstwy tlenkowej: a) SEM; b) AFM

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 nanotwardości dla materiału w stanie wyjściowym, po procesie nanoszenia powłoki aluminium metodą rozpylania magnetronowego oraz po utlenianiu w warunkach wyładowania jarzeniowego. W wyniku przeprowadzonej obróbki powierzchniowej 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 Al 2 O 3, jak również obecnością faz międzymetalicznych pod tlenkiem aluminium. Najmniejszą twardość uzyskano dla materiału po procesie rozpylania magnetronowego, co jest wynikiem obecności powłoki czystego aluminium. Pomiary nanotwardości dla materiału po procesie rozpylania magnetronowego charakteryzowały 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 Al 2 O 3. a 120000 b 120000 100000 100000 Siła [un] 80000 60000 40000 Siła [un] 80000 60000 40000 20000 20000 0 0 500 1000 1500 0 0 500 1000 1500 Przemieszczenie [nm] Przemieszczenie [nm] c 120000 100000 d 14 Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V+Al Ti-6Al-4V+TiAl Siła [um] 80000 60000 40000 20000 0 0 500 1000 1500 Twardość [GPa] 12 10 8 6 4 2 5,67 2,20 9,89 Przemieszczenie [nm] 0 Rys. 8. Krzywe obciążenie przemieszczenie dla materiału: w stanie wyjściowym (a), z powłoką aluminium (b), z warstwą (c); wartości średnie nanotwardości (d)

52 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 2.4. Zużycie ścierne Badania odporności na zużycie przez tarcie przeprowadzono metodą trzy wałeczki + stożek, zgodnie z polską normą PN-83/H-04302 przy obciążeniach 200 i 400 MPa. Na rysunku 9 przedstawiono głębokość wytarcia próbki w funkcji czasu trwania próby. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że wytworzenie warstwy powierzchniowej na bazie faz międzymetalicznych z wykorzystaniem procesu utleniania w atmosferze wyładowania jarzeniowego w znaczący sposób poprawiło odporność na zużycie przez tarcie stopu tytanu Ti6Al4V. Materiał wyjściowy ulegał zatarciu już po 10 minutach próby, a głębokość powstałego wytarcia wynosiła ponad 50 µm, podczas gdy na stopie tytanu z wytworzonymi warstwami po 100 minutach próby głębokość wytarć nie przekraczała 4 µm. Na uwagę zasługuje również fakt, iż dopiero powyżej 70 min czasu tarcia widoczne są różnice w zużyciu materiału z warstwą przy obciążeniach 200 MPa i 400 MPa. 5 Tytan (200 MPa) Głębokość wytarcia [um] 4 3 2 1 0 Ti+TiAl+Al 2 O 3 (400 MPa) Ti+TiAl+Al 2 O 3 (200 MPa) 0 20 40 60 80 100 Czas tarcia [min] Rys. 9. Odporność na zużycie stopu Ti-6Al-4V w stanie przed i po obróbce powierzchniowej mierzona przy stałym nacisku jednostkowym 200 i 400 MPa Obserwacje powierzchni oraz analiza składu chemicznego powstałych śladów wytarć na próbkach po procesie utleniania wykazały obecność wewnątrz wytarcia żelaza pochodzącego z przeciwpróbki (rys. 10). Warstwa powstała z materiału przeciwpróbki miała grubość powyżej 1µm. Znaczący wzrost odporności na zużycie ścierne materiału z warstwą wytworzoną w procesie utleniania jarzeniowego jest spowodowany głównie obec-

1-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 53 nością Al 2 O 3 na powierzchni. Tlenek aluminium o twardości kilkakrotnie większej od twardości przeciwpróbki powoduje intensywne zużywanie się przeciwpróbki i przechodzenia materiału przeciwpróbki na powierzchnię badanych próbek. Istotna jest również obecność faz międzymetalicznych z układu Ti Al w warstwie, zapewniają one bowiem stopniową zmianę właściwości pomiędzy zewnętrzną strefą tlenku aluminium a materiałem podłoża. Skokowa zmiana właściwości mogłaby spowodować wykruszanie się Al 2 O 3 i obniżenie odporności na zużycie ścierne. Rys. 10. Powierzchnia wytarcia warstwy (SEM) oraz analiza składu chemicznego w miejscu wytarcia (mapping) Podsumowanie Zastosowana w niniejszej pracy metoda duplex łącząca rozpylanie magnetronowe aluminium oraz utlenianie w warunkach wyładowania jarzeniowego umożliwia otrzymanie na stopie tytanu Ti-6Al-4V warstwy międzymetalicznej Ti-Al z zewnętrzną strefą tlenku aluminium Al 2 O 3. Wytworzona warstwa ma charakter dyfuzyjny o następującym składzie fazowym (od podłoża): Ti 3 Al+TiAl+TiAl 3 +Al 2 O 3. Otrzymane warstwy znacząco poprawiają twardość i odporność na zużycie stopu tytanu Ti-6Al-4V. Spowodowane jest to obecnością twardego tlenku aluminium na powierzchni oraz faz międzymetalicznych, które zapewniają dobrą adhezję warstwy tlenkowej (charakter dyfuzyjny poszczególnych stref warstwy). Poprawa właściwości mechanicznych stopu tytanu Ti-6Al-4V w wyniku zastosowanej obróbki powierzchniowej może rozszerzyć zakres aplikacji tego materiału.

54 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007 Praca naukowa finansowana ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloletniego pn. Doskonalenie 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 Coating 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 wytwarzania 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.

56 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2007