Plasma coating formation by the deposition of cathode material eroded through high-current pulsed discharge

The paper analyzes the conditions for the formation of a coating obtained using an electrothermal axial plasma accelerator due to plasma transfer of cathode erosion products. It is shown that by using a cathode of low-melting materials with a high-current pulsed discharge, microdrops are formed and injected from the accelerator falling into the surface to be treated. When colliding with the surface, the drops acquire near-disk shape with a radius of up to 100 µm, cooling on the substrate at a speed of up to 10⁸ K/s. This leads to the formation in the drops of a supersaturated solid solution with nonequilibrium structure. The subsequent heat treatment of the coating can result in hardening phases precipitation from solid solution causing the increase in coating microhardness.Проаналізовано умови формування покриття, що отримується за допомогою електротермічного аксіального плазмового прискорювача, за рахунок плазмового перенесення продуктів ерозії катода. Показано, що в разі використання катода з легкоплавких матеріалів при потужнострумовому імпульсному розряді утворюються і інжектуються із прискорювача мікрокраплі, що потрапляють на оброблювану поверхню. При зіткненні з поверхнею вони набувають форму диска радіусом до 100 мкм, охолоджуючись на підкладці зі швидкістю до 10⁸ К/с. Це призводить до формування в краплях нерівноважної структури пересиченого твердого розчину. Подальша термічна обробка покриття може викликати розпад розчину з виділенням зміцнюючих фаз з відповідним підвищенням мікротвердості покриття.Проанализированы условия формирования покрытия, получаемого с помощью электротермического аксиального плазменного ускорителя, за счет плазменного переноса продуктов эрозии катода. Показано, что в случае использования катода из легкоплавких материалов при сильноточном импульсном разряде образуются и инжектируются из ускорителя микрокапли, попадающие на обрабатываемую поверхность. При соударении с поверхностью они приобретают форму диска радиусом до 100 мкм, остывая на подложке со скоростью до 10⁸ К/с. Это приводит к формированию в каплях неравновесной структуры пересыщенного твердого раствора. Последующая термическая обработка покрытия может вызывать распад раствора с выделением упрочняющих фаз с соответствующим повышением микротвердости покрытия

Структурний і фазово-елементний розподіл у імпульсному плазмовому покритті, отриманому з використанням твердосплавного катоду

Метою даної роботи є дослідження мікроструктурних особливостей покриття, одержаного імпульсно-плазмовою обробкою з використанням твердого сплаву WC-TiC-Со (Т15К6) у якості розхідного (еродуючого) електрода. Покриття наносили на низьколеговану конструкційну сталь 75Г1 за допомогою електротермічного аксіального плазмового прискорювача з потужністю дугового розряду до 20 МВт. В роботі використали мікроскопічний аналіз (за допомогою скандувальних мікроскопів Quanta FEG 650 FEI та Ultra-55 Carl Zeiss), енергодисперсійну спектроскопію (JED-2300, JEOL) та вимірювання мікротвердості (FM-300, Future-Tech Corp.) при навантаженні 20 г. Було встановлено, що після 10 плазмових імпульсів на поверхні сталі утворилось покриття товщиною 95-125 мм, а між покриттям та основою виник модифікований сталевий шар товщиною 33-40 мкм. Покриття складалось із матриці зі структурою високовуглецевого мартенситу або суміші мартенситу і залишкового аустеніту з мікротвердістю 415-977 HV (середнє значення 707 ± 113 HV). В межах матриці виявлено випадково розташовані глобулярні карбіди, збагачені вольфрамом (W,M)C або титаном (Ti,M)C діаметром 0,1-9,1 мм. Загальна об’ємна частка карбідів становила 15 %. EDS дослідження показало, що карбіди одночасно вміщували як вольфрам, так і титан, тобто вони не були "відірвані" з катоду і перенесені плазмовим потоком, а утворились in situ із рідини при кристалізації покриття. Матеріальний вклад катоду в формування покриття не перевищив 17 %, що пояснюється незначною ерозією твердого сплаву через високу температуру плавлення карбідів WC і TiC. Покриття в основному складалося з продуктів ерозії сталевого електроду (аноду) плазмового прискорювача. Матриця покриття виявилась легованою рядом елементів (W, Ti, Co, Cu), які еродували з поверхні катоду під час його плавлення та випаровування під дією високострумового розряду в камері прискорювача.The object of this work is to study microstructural features of the coating obtained by pulsed-plasma deposition using cemented carbide WC-TiC-Со as an eroded electrode. The coating was deposited employing an electro-thermal axial plasma accelerator involving a pulse arc discharge with the power reached 20 MW. Cemented carbide (an alloy of T15K6 grade) was used as a tip of the cathode to be eroded under the discharge. The substrate material was low-alloyed structural steel 75Mn1. The investigations included scanning electron microscopy observation (Quanta FEG 650 FEI, Ultra-55 Carl Zeiss), energy-dispersive Xray spectroscopy (JED-2300, JEOL) and microhardness measurement (FM-300, Future-Tech Corp.) under the load of 20 g. It was shown that after 10 plasma impulses the coating of 95-125 µm thick was obtained tightly adjusted to the modified substrate layer. The coating consisted of high-carbon martensite or martensite/retained austenite matrix with a microhardness of 415-977 HV (mean value of 707 ± 113 HV) and of randomly distributed 2.1 vol. % globular carbides (W,M)C and (Ti,M)C of 0.2-8.5 µm diameter. EDS study revealed that the carbides were alloyed with tungsten and titanium both. It allowed to conclude that carbides were not transferred by plasma flux but they crystallized in situ from the melt deposited on the substrate surface. The contribution of cemented carbide to the coating formation was limited by 17 % which was explained by low cemented carbide erosion caused by the high temperature of carbides WC and TiC melting. The coating was mostly composed of the product of the erosion of a steel anode. The matrix was alloyed with the elements (W, Ti, Co, Cu), released from the cathode during its melting/evaporation under the high-current discharge

Модифікація поверхні сірого чавуну імпульсно-плазмовим осадженням та подальшим лазерним оплавленням

Метою даної роботи є дослідження мікроструктури та зносостійкості сірого чавуну, поверхнево модифікованого імпульсно-плазмовим нанесенням покриття з подальшим плавленням лазерним променем. Композиційне покриття 50 об. % WC + 50 об. % Al-бронзи товщиною 85-135 мкм було нанесено із застосуванням електротермічного аксіального плазмового прискорювача плазми (10 плазмових імпульсів із напругою розряду 4 кВ). Після нанесення покриття поверхню оплавили скануванням інфрачервоним лазерним променем з довжиною хвилі 1064 нм. При цьому застосували волоконний лазер TruFiber 400 (TRUMPF), діаметр плями променю становив 0,5 мм, швидкість сканування 0,5 мм·с – 1, потужність 400 Вт. В роботі застосували мікроструктурний аналіз (скануючий електронний мікроскоп JSM-6510 JEOL), енергодисперсійну рентгенівську спектроскопію (EDS детектор JED-2300 JEOL), трибологічні випробування (трибометр Мікрон-трибо) та вимірювання мікротвердості при навантаженні 50 г (мікротвердомір FM-300, Future-Tech Corp.). В результаті лазерного оплавлення на глибину до 600 мкм, яке супроводжувалось поверхневим легуванням чавуну міддю та вольфрамом, мікроструктура чавуну змінилась з ферит + пластинчастий графіт на ледебурітоподібну карбідну евтектику з глобулярним включеннями ɛ-міді. Карбідна евтектика складалася з дисперсних дендритів із перлітною структурою, розгалужених в матриці цементитного карбіду. У поперечному перерізі мікроструктура змінювалась градієнтно від повністю оплавленої зони до перехідної карбідо-графітної зони і далі до зон термічного впливу з перлітною або феритоперлітною структурою загальною шириною до 1250 мкм. Мікротвердість оплавленої зони становила 900-1000 HV50, що в 5 разів вище за вихідну мікроструктуру чавуну. Подвійна поверхнева обробка збільшила зносостійкість сірого чавуну в 15 разів порівняно зі структурою ферит + графіт. В статті обговорюється вплив міді та вольфраму на формування структури сірого чавуну при лазерному оплавленні.The object of this work is to study the microstructure and wear behavior of grey cast iron superficially modified by pulsed-plasma deposition of the coating and subsequent laser beam melting. The coating 50 vol. % WC + 50 vol. % Al-bronze of 85-135 µm width was deposited employing an electrothermal axial plasma accelerator with ten pulses under the discharge voltage of 4 kV. The coated surface was subsequently melted by infrared fiber laser TruFiber 400 (TRUMPF) with a beam wavelength of 1064 nm (beam spot was 0.5 mm, scanning velocity was 0.5 mm·s – 1, power was 400 W). The investigations included scanning electron microscopy observation (JSM-6510 JEOL), energy-dispersive X-ray spectroscopy (JED2300, JEOL), tribological testing (tribometer Micron-tribo) and microhardness measurement (FM-300, Future-Tech Corp.) under the load of 0.05 kg. After the deposition/laser melting to a depth of up to 600 µm, the surface was modified from ferrite/lamellar graphite structure to Ledeburite-like eutectic/ɛ-copper precipitates structure. The carbide eutectic consisted of fine pearlitic dendrites embedded into a cementite matrix. The structural gradient from fully remelted zone to transitional (carbide/graphite) zone and further to heat-affected zones (with pearlite and ferrite/pearlite matrix structure) was revealed in the cross-section to reach 1250 µm in total width. The microhardness of the remelted zone was measured as 900-1000 HV50 to be 5 times higher than that of unmodified structure. The double surface treatment increased the scratch wear resistance of a modified grey cast iron by 15 times as compared to the ferrite/graphite substrate. The effect of copper and tungsten on laser-induced structure formation in grey cast iron is discussed