Триботехнические характеристики композитов БрА7–W–WC, полученных методом электронно-лучевого аддитивного производства

В работе представлено исследование по созданию и оценке трибологических характеристик металло-матричных композиционных материалов (ММК) на основе алюминиевой бронзы БрА7, армированных частицами вольфрама (W) и карбида вольфрама (WC), с использованием технологии электронно-лучевого аддитивного производства (ЭЛАП).
Цель работы — получение износостойких материалов на основе алюминиевой бронзы со сформированным приповерхностным композиционным слоем CuAl7–W–WC, изучение их триботехнических характеристик в условиях трения без смазочного материала при комнатных и повышенных температурах в воздушной среде.
Авторы применили комбинированный проволочно-порошковый метод подачи материала, что позволило получить композитные покрытия с равномерным распределением армирующей фазы. Были изготовлены образцы из чистой бронзы (CuAl7), и композиты, содержащие 10 об. % (CuAl7–W5–WC5) и 20 об. % (CuAl7–W10–WC10) армирующих частиц в составе. Установлено, что добавление W и WC существенно снижает интенсивность изнашивания по сравнению с чистой бронзой. В то же время коэффициенты трения композитов сопоставимы с таковыми у исходного материала.
Выявлен характер износа полученных ММК, который носит преимущественно окислительный характер с формированием многослойной трибоплёнки, содержащей оксиды меди и железа, действующей как сухая смазка. Присутствие армирующих частиц ограничивает контакт с контртелом и подавляет пластическую деформацию матрицы, что положительно сказывается на износостойкости материала. Работа демонстрирует потенциал ЭЛАП-технологий в прецизионной модификации поверхностных свойств изделий и расширяет представление о механизмах износа ММК при высокотемпературном трении. Полученные материалы могут быть использованы при изготовлении деталей с повышенными требованиями к износостойкости, например, в машиностроении и авиации.

1. Sadeghi B., Cavaliere P., and Shabani A. Design Strategies for Enhancing Strength and Toughness in High Performance Metal Matrix Composites: A Review // Materials Today Communications. — 2023 (37) 107535

2. Xu D., Wei B., Chen R., Zhou R., Yang J., Chen P., and Cheng J. A Novel Approach to Fabricate WC Reinforced W–Cu Composites via MSC and Infiltration Method // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. — 2023 (111), 106100

3. Filippov A., Shamarin N., Moskvichev E., Savchenko N., Kolubaev E., Khoroshko E., and Tarasov S. The Effect of Heat Input, Annealing, and Deformation Treatment on Structure and Mechanical Properties of Electron Beam Additive Manufactured (EBAM) Silicon Bronze // Materials. — 2022 (15), 3209

4. Osipovich K., Kalashnikov K., Chumaevskii A., Gurianov D., Kalashnikova T., Vorontsov A., Zykova A., Utyaganova V., Panfilov A., Nikolaeva A., Dobrovolskii A., Rubtsov V., and Kolubaev E. Wire-Feed Electron Beam Additive Manufacturing: A Review // Metals — 2023 (13), 279

5. Blau P.J. On the Nature of Running-in // Tribology International. — 2005 (38), nos. 11–12, 1007—1012

6. Schell J., Heilmann P., and Rigney D.A. Friction and Wear of Cu–Ni Alloys // Wear. — 1982 (75), 205—220

7. Venkataraman B. and Sundararajan G. The Sliding Wear Behaviour of Al–SiC Particulate Composites. II. The Characterization of Subsurface Deformation and Correlation with Wear Behavior // Acta Mater. — 1996 (44), 461—473

8. Czupryk W. Frictional Transfer of Iron in Oxidative Wear Conditions During Lubricated Sliding // Wear. — 2000 (237), 288—294

9. Cai W. and Bellon P. Subsurface Microstructure Evolution and Deformation Mechanism of Ag–Cu Eutectic Alloy after Dry Sliding Wear // Wear. — 2013 (303), 602—610

10. Savchenko N., Fedin E., Sevostyanova I., Moskvichev E., Vorontsov A., and Tarasov S. Evidence of Tribological Adaptation Controlled by Tribosynthesis of FeWO4 on an WC-Reinforced Electron Beam M2 Steel Coating Rubbed against a HSS Disk in a Range of Sliding Speeds // Materials. — 2023 (16), 1013

11. Lontin K., Khan M., and Alharbi B. Investigation of the Effect of Temperature on the Wear Rate and Airborne Noise in Sliding Wear // Materials. — 2022 (15), 812

12. Pan L., Han J., Yang Z., Wang J., Li X., Li Z., and Li W. Temperature Effects on the Friction and Wear Behaviors of SiCp/A356 Composite against Semimetallic Materials // Adv. Mater. Sci. Eng. — 2017, 1824080

13. Pearsonn S.R., Shipway P.H., Abere J.O., and Hewitt R.A.A. The Effect of Temperature on Wear and Friction of a High Strength Steel in Fretting // Wear. — 2013 (303), 622—631

14. Attia M.H., de Pannemaecker A., and Williams G. Effect of Temperature on Tribo-Oxide Formation and the Fretting Wear and Friction Behavior of Zirconium and Nickel-Based Alloys // Wear. — 2021 (476), 203722

15. Savchenko N.L., Korolev P.V., Melnikov A.G., Tarasov S.Yu., and Kulkov S.N. Wear and Friction of Transformation-Toughened CMC and MMC // Wear. — 2002 (249), 892—900