Морфология поверхности покрытия из порошка ПГ-19Н-01 толщиной 80 мкм, оплавленного импульсной плазменной струей за два прохода. Видно, что после обработки плазменной струей вся поверхность заполнена коагулировавшими частицами, то есть локальные участки поверхности покрытия прошли через стадию расплавления. Такие коагулировавшие частицы повышают шероховатость поверхности по сравнению с первоначальной, то есть после шлифования. Однако если сравнивать шероховатость поверхности покрытия после нанесения и после обработки импульсной плазмой, то можно сказать, что шероховатость на финише уменьшается. Оценки показали, что толщина расплавленного слоя может достигать 40 - 60 мкм.

Кристаллизация отдельных фрагментов по площади поверхности покрытия происходит по-разному - формируются как отдельные частицы размером 1 5 мкм, так и довольно большие зерна размером 25 - 100 мкм. По межкристаллитным границам крупных зерен наблюдаются трещины, возникающие вследствие действия значительных растягивающих напряжений, обусловленных большим градиентом температур при быстром охлаждении поверхности покрытия после высокотемпературного воздействия плазменной струи.

Таким образом, анализ структуры поверхности покрытий, изученной с помощью растровой электронной микроскопии, показал, что после оплавления плазменной струей рельеф поверхности покрытий сглаживается. Однако крупные по размерам, деформированные частицы не успевают расплавиться даже за два прохода.

Анализ, проведенный с помощью растровой электронной микроскопии и оптической микроскопии на поперечных шлифах, показал, что покрытия не имеют сквозных пор. Граница между подложкой и покрытием имеет "волнистый" характер, наблюдается частичное внедрение частиц порошка в поверхность подложки, при этом сами порошинки деформируются. Область покрытия вблизи границы с подложкой не имеет больших окисных частиц, при этом некоторые участки подложки также деформированы. Можно предположить, что это обусловлено подготовкой поверхности перед нанесением покрытия, т.е. в процессе абразивной обработки поверхности подложки имеет место ее наклеп, который затем увеличивается.

В целом же исследования показали, что плазменно-детонационная технология обеспечивает формирование покрытий с достаточно плотным прилеганием к основе и диффузионным слоем на границе. Толщина диффузионного слоя достигает 10-15 мкм. Во всех исследованных образцах, у которых подложка не подогревалась, на границе в подложке наблюдались характерные сдвиги и кристаллов. Можно предположить, что это объясняется высокими контактными нагрузками при столкновении с дискретными частицами. Последующая обработка поверхности покрытий высокоинтенсивной плазменной струей интенсифицирует диффузионные процессы на границе с подложкой. Это, в свою очередь, обусловливает увеличение диффузионного слоя, которое влечет улучшение адгезии покрытий.

Следует отметить, что микроанализ, проведенный с поверхности покрытий, показал значительное увеличение концентрации Мо почти в два раза. При этом слегка уменьшилось содержание Cr, почти на 3%, и увеличилось содержание Si, кроме того, незначительно уменьшилась концентрация Fe, а на отдельных участках обнаружен кислород.

Дополнительно был проведен микроанализ на поперечных шлифах как на оплавленном, так и на неоплавленном участке покрытия. На рис. 6 а, б приведены микрофотографии поперечных шлифов с обозначением локальных участков, на которых проводились микроанализы. Видно, что первая точка попадает не в оплавленную область, а на подложку.

Был проведен микроанализ с этих порошинок, который показал, что в случае нахождения порошинки внутри покрытия (та часть покрытия, которая была повторно обработана плазменной струей дополнительно двумя проходами), концентрация легирующих элементов заметно изменяется, также меняется концентрация Мо. Причем следует отметить, что анализ проводился примерно в середине порошинки. Это свидетельствует о том, что во время разогрева порошинки в плазменной струе и во время динамического удара о поверхность в ней (порошинке) происходят процессы "аномального" массопереноса. Мы понимаем "аномальность" в том, что величина коэффициента диффузии (или массопереноса) больше на 2 порядка, чем коэффициенты в жидкой фазе. Поэтому в этой порошинке мы видим совсем другой состав, а именно, около 90% Fe; 6,72% C; 0,77% Мn; 0,97% P; 0,21% Cr и 1,96% Al. Во второй точке резко возрастает концентрация Ni68%; Cr до 10,8%; Si3,25%; C8,27%; Mo1,28%; Fe5,78%. В точке 6 вблизи поверхности покрытия (не оплавленного) С0,77%; Si2,91%; Fe5,18%; Ni77,8%; Cr12,18%; Мn и С меньше 1%. В точке 10 снова анализ подложки, где Fe98,5%; Мn0,69%; Ni0,49%; Cr0,2%.

На оплавленном участке (в поверхностном слое подложки) в точке 1 (рис. 3). Fe  88,35 %; С  8,64 %, Mo  1,10 %; Мn  0,85 %; Si  0,73 % и т.д. В точке 2 в покрытии картина резко меняется: Ni  71,32 %; Cr  10,06 %; Fe  5,88 %; С  8,15 %; Si  2,62 % и т.д. Вблизи поверхности покрытия (на оплавленной части) около 70% Ni; Mo  1,79%; Fe  5,85%; Cr  9,75%; Si  2,95 %; С 6,34 %; Мn  1,01 %. Можно обратить внимание на то, что концентрация Ni по глубине покрытия находится в пределах 72%±1,2%; концентрация Cr меняется от 9,2% до 10,6%; содержание Fe не превышает 6%; Мо от 0,8% до 1,2%; Si около 3%, а концентрация углерода на глубине изменяется почти в два раза - вблизи поверхности около 6,96% до 10% вблизи подложки. Следует отметить и то, что и в глубине покрытия углерод распределен неравномерно.

Рисунок 3 - Элементный состав покрытия из ПГ-19Н-01, нанесенного высокоскоростной плазменной струей, с последующим оплавлением поверхностного слоя на глубину до 60 мкм. Анализ проведен на поперечном шлифе покрытия на глубине 20 мкм

Данные РСФА-спектрометрии подтверждают данные микроанализа. Как показал рентгеновский флуоресцентный анализ, основным элементом покрытия является никель (77,534 ± 1,15 %), а хром и железо являются легирующими добавками. Концентрация хрома составляет 13,613 ± 0,62 %, а железа 8,852 ± 0,5 %. Сравнение результатов РСФА показало, что после повторного прохода плазменной струей в спектре появляется элемент из подложки (Mn~0,4 %), концентрация Fe возрастает с 8,8 до 27 %, а концентрация Cr падает с 13,6 до 10,4 %. Таким образом можно сказать, что повторная обработка плазменной струей приводит к захватыванию материала из области подложки и перемешиванию с элементами покрытия.

Изменение средней микротвердости по толщине покрытия (по поперечному шлифу).

Зависимость нелинейна и имеет немонотонный характер. Средняя микротвердость максимальна на поверхности, там где покрытие было оплавлено плазменной струей. Затем микротвердость плавно уменьшается в области покрытия, не подвергавшейся плавлению во время воздействия плазменной струей. На глубине около 40 мкм (вблизи границы плавления) микротвердость почти не меняется и выходит на постоянное значение. Ближе к границе с подложкой микротвердость начинает более резко уменьшаться и на глубине 115 - 120 мкм средняя микротвердость выходит на значение микротвердости подложки.

Нанотвердость подложки составляет 3,6 ± 0,3 ГПа; нанотвердость покрытия без дополнительной обработки - 7,0 ± 4,6 ГПа, а после обработки плазменной струей нанотвердость возрастает до значений 8,6 ± 1,1 ГПа. Заметим, что после оплавления покрытия плазменной струей разброс значений значительно уменьшается, что свидетельствует о формировании более однородной структуры.

Тесты на износостойкость показали, что максимальный износ имеет подложка.

Нанесение покрытия из ПГ-19Н-01 приводит к уменьшению износа от 2 при небольшом числе оборотов (на начальном участке износа) до 1,6 раз на больших оборотах. Минимальный износ показали покрытия толщиной 300 мкм, оплавленные плазменной струей за два прохода.

Таким образом, в работе с помощью рентгенофазового анализа, растровой электронной и оптической микроскопии, рентгеновского микроанализа, измерения микро- и нанотвердости, износа и адгезии были исследованы защитные порошковые покрытия на основе Ni (порошок ПГ-19Н-01) до и после воздействия высокоскоростной импульсной плазменной струей в режиме оплавления. Показано, что в процессе осаждения покрытий плазменно-детонационным методом в никелевой матрице происходит перераспределение боридов (Ni₃B и CrB₂) и интерметаллидов Cr₃Ni₂, которое продолжается в процессе обработки высокоскоростной импульсной плазменной струей за счет насыщения покрытия материалом из эродируемого электрода (Mo). Кроме того, показано, что дополнительная обработка покрытия плазменной струей приводит к изменению рельефа поверхности, перераспределению элементов (за счет массопереноса), уменьшению размера зерен, что в свою очередь значительно изменяет механические свойства покрытий и обеспечивает более прочное сцепление покрытия с подложкой.