Синтез и электронно-лучевая наплавка композиционных порошков моноборид титана – титановая связка

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) порошковых смесей титана и бора получены композиционные порошки моноборид титана – титан с содержанием титановой связки от 20 до 60 об. %. СВС порошки используются для электронно-лучевой наплавки покрытий толщиной до 3 мм на подложку из титана ВТ1-0. Методами рентгеноструктурного анализа, оптической и растровой электронной микроскопии исследованы фазовый состав и микроструктура исходных порошков и наплавленных покрытий. На основе результатов исследования микроструктуры и профилей микротвердости в переходной зоне покрытие/подложка сделан вывод о надежной адгезии покрытия к подложке. Исследована зависимость твердости и абразивной износостойкости наплавленных покрытий от фазового состава наплавляемых порошков. Установлено, что по сравнению со свойствами титана ВТ1-0 твердость покрытий, упрочненных иглоподобными включениями моноборида титана в титановой матрице, выше в 2,2 раза, а абразивная износостойкость – в 3,7 раза. При этом эффект упрочнения и повышения износостойкости титановой матрицы частицами моноборида титана гораздо меньше, чем подобные эффекты при использовании в наплавленных покрытиях в качестве упрочняющей фазы дисперсных частиц карбида титана.

1. Qi J. Q., Wang H.W., Zou C.M., Wei W.Q., Wei Z.J. Temperature dependence of fracture behavior of in situ synthesized TiC/Ti-alloy matrix composite // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – V. 528, is. 25–26. – P. 7669–7673.

2. Rasool G., Mridha S., Stack M.M. Mapping wear mechanisms of TiC/Ti composite coatings // Wear. – 2015. – V. 328–329. – P. 498–508.

3. Tjong S.C., Ma Z.Y. Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites // Materials Science and Engineering: R: Reports. –2000. – V. 29, is. 3–4. – P. 49–113.

4. Zhang J., Ke W., Ji W., Fan Z., Wang W., Fu Z. Microstructure and properties of in situ titanium boride (TiB) /titanium (Ti) composites // Materials Science and Engineering:A. – 2015. – V. 648. – P. 158–163.

5. Attar H., Löber L., Funk A., Calin M., Zhang L.C., Prashanth K.G., Scudino S., Zhang Y.S., Eckert J. Mechanical behavior of porous commercially pure Ti and Ti–TiB composite materials manufactured by selective laser melting // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – V. 625. – P. 350–356.

6. Sahay S.S., Ravichandran K. S.,Atri R. Evolution of microstructure and phases in in situ processed Ti–TiB composites containing high volume fractions of TiB whiskers // Journal of Materials Research. – 1999. – V. 14, N 11. – Р. 4214–4223.

7. Ma F., Wang T., Liu P., Li W., Liu X., Chen X., Pan D., Lu W. Mechanical properties and strengthening effects of in situ (TiB + TiC) / Ti-1100 composite at elevated temperatures // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – V. 654. – P. 352–358.

8. Li S., Kondoh K., Imai H., Chen B., Jia L., Umeda J., FuY. Strengthening behavior of in situ-synthesized (TiC–TiB) /Ti composites by powder metallurgy and hot extrusion // Materials and Design. – 2016. – V. 95. – P. 127–132.

9. Imayev V., Gaisin R., Gaisina E., Imayev R., Fecht H.-J., Pyczak F. Effect of hot forging on microstructure and tensile properties of Ti–TiB based composites produced by casting // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – V. 609. – P. 34–41.

10. Imayev V. M., Gaisin R. A., Imayev R. M. Effect of boron additions and processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy Ti–6.5 Al–3.3 Mo–0.3 Si // Materials Science & Engineering A.– 2015.– V. 641.– P. 71–83.

11. Shen X., Zhang Z., Wei S., Wang F., Lee S. Microstructures and mechanical properties of the in situ TiB–Ti metal-matrix composites synthesized by spark plasma sintering process // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – V. 509, is. 29. – P. 7692–7696.

12. Cheloui H., Zhang Z., Shen X., Wang F., Lee S. Microstructure and mechanical properties of TiB–TiB2 ceramic matrix composites fabricated by spark plasma sintering // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – V. 528. – P. 3849–3853.

13. Wang, F.-C., Zhang Z., Luo J., Huang C.-C., Lee S.-K. A novel rapid route for in situ synthesizing TiB–TiB2 composites // Composites Science and Technology. – 2009. – V. 69. – P. 2682–2687.

14. Wei S., Zhang Z.-H., Wang F.-C., Shen X.-B., Cai H.-N., Lee S.-K., Wang L. Effect of Ti content and sintering temperature on the microstructures and mechanical properties of TiB reinforced titanium composites synthesized by SPS process // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – V. 560. – P. 249–255.

15. Chaudhari R., Bauri R. Reaction mechanism, microstructure and properties of Ti–TiB in situ composite processed by spark plasma sintering // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – V. 587. – P. 161–167.

16. Eriksson M., Salamon D., Nygren M., Shen Z. Spark plasma sintering and deformation of Ti–TiB2composites // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – V. 475. – P. 101–104.

17. Jia, L., Wang X., Chen B., Imai H., Li S., LuZ., Kondoh K. Microstructural evolution and competitive reaction behavior of Ti–B4C system under solid-state sintering // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – V. 687. – P. 1004–1011.

18. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник: Т. 1. / Под ред. Н. П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.

19. Miklaszewski A. Effect of starting material character and its sintering temperature on microstructure and mechanical properties of super hard Ti/TiB metal matrix composites // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2015. – V. 53, part A. – P. 56–60.

20. Yan Z., Chen F., Cai Y., Zheng Y. Microstructure and mechanical properties of in-situ synthesized TiB whiskers reinforced titanium matrix composites by high-velocity compaction // Powder Technology. – 2014. – V. 267. – P. 309–314.

21. Quast J.P., Boehlert C. J., Gardner R., Tuegel E., Wyen T. A microstructure and sonic fatigue investigation of Ti–TiBfunctionally graded materials // Materials Science and Engineering A. – 2008. – V. 497. – P. 1–9.

22. Fu B., Wang H., Fu. B., Zou C., Wei Z. Microstructural characterization of in situ synthesized TiB in cast Ti-1100-0.10B alloy // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2015. – V. 25. – P. 2206–2213.

23. Акопян А. Г. Долуханян С. К., Боровинская И. П. Взаимодействие титана, бора и углерода// Физика горения и взрыва. – 1978. – №3. – C. 70–79.

24. Азатян Т. С., Мальцев В. М., Мержанов А. Г., Селезнев В. А. О механизме распространения волны горения в смесях титана с бором//Физика горения и взрыва. – 1980. – Т. 16, №2. – С. 37–42.

25. Zwikker U. Titan und Titanlegirungen. – Springer-Verlag, 1974. – 717 p.

26. Горынин И. В., Чечулин Б. Б. Титан в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1990. – 400 с.

27. Lin Y., Lei Y., Li X., Zhi X., Fu H., A study ofTiB2/TiB gradient coating by laser cladding on titanium alloy // Optics and Lasers in Engineering. – 2016. – V. 82. – P. 48–55.

28. Genç, A., Banerjee R., Hill D., Fraser H. L. Structure of TiB precipitates in laser deposited in situ, Ti–6Al–4V–TiB composites // Materials Letters. – 2006. – V. 60. – P. 859–863.

29. Attar H., Ehtemam-Haghighib S., Kenta D., Okulov I. V., Wendrocke H., Bӧnisch M., Volegovf A. S. , Caline M., Eckert J., Dargusch M. S. Nanoindentation and wear properties of Ti and Ti–TiB composite materials produced by selective laser melting // Materials Science and Engineering: A. – 2017. – V. 688. – P. 20–26

30. Attar H., Bönisch M., Calin M. , Zhang L. C., Ecudino S., Eckert J. Selective laser melting of in sutu titanium titanium boride composites // Processing, microstructure, and mechanical properties. Actamaterialia. – 2014. – V. 76. – P. 13–22.

31. Attar H. , Prashanth K. G., Zhang L.-C., Calin M., Okulov I. V., Scudino S., Yang C., Eckert J. Effect of Powder Particle Shape on the Properties of In Situ Ti–TiB Composite Materials Produced by Selective Laser Melting // Journal of Materials Science and Technology. – 2015. – V. 31. – P. 1001–1005.

32. Hu Y., Cong W., Wang X ., Li Y., Ning F., Wang H. Laser deposition-additive manufacturing of TiB–Ti composites with novel three-dimensional quasi-continuous network microstructure: Effects on strengthening and toughening // Composites. Part B. – 2018. – V. 133. – P. 91–100.

33. Панин В. Е., Белюк С. И., Дураков В. Г., Прибытков Г. А., Ремпе Н. Г. Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий// Сварочное производство. – 2000. – №2. – C. 34–38.

34. Рогачев А. С., Мукасьян А. С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику. – М.: Физматлит, 2012. – 400 с.

35. Прибытков Г. А. Криницын М. Г., Коржова В. В. Исследование продуктов СВ-синтеза в порошковых смесях титана и углерода, содержащих избыток титана// Перспективные материалы. – 2016. – №5. – C. 59–68.

36. Прибытков Г. А., Коржова В. В., Барановский А. В., Криницын М. Г. Фазовый состав и структура СВС композиционных порошков карбид титана – связка из стали Р6М5 // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2016. – №2. – С. 64–71.

37. Прибытков Г. А., Криницын М. Г., Фирсина И. А., Дураков В. Г. Твердость и абразивная износостойкость электронно-лучевых покрытий карбид титана– титановая связка, наплавлен-ных СВС композиционными порошками// Вопросы материаловедения. – 2017. – №4 (92). – С. 52–61.

38. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Справочник. / Под ред. Т. Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.