Effect of hBN on Wear of AlCrN-Coated Spark Plasma - Sintered TiB2/Ti Composites at Temperatures up to 900°C

• Autorzy: Łuszcz Maciej , Michalczewski Remigiusz , Kalbarczyk Marek , Osuch-Słomka Edyta , Molenda Jarosław , Liu Le , Antonov Maksim , Hussainova Irina

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0015.8756

Warianty tytułu

PL

Wpływ heksagonalnego azotku boru na proces zużywania w temperaturze do 900°C kompozytów TiB2/Ti spiekanych iskrowo-plazmowo, pokrytych powłoką AlCrN

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work, hexagonal boron nitride powder was used for the lubrication of an interface of TiB₂/Ti composite protected by an AlCrN coating and a ceramic Si₃N₄ ball. The wear behaviour of this tribo-pair in an oscillating motion was studied with an SRV tribotester at the temperature range from room temperature to 900 °C. The action of hexagonal boron nitride as a solid lubricant was analysed with the use of a 3D microscopy and energy-dispersive spectroscopy. The test results confirmed that under high-temperature conditions, the use of hexagonal boron nitride as a solid lubricant does not increase the wear resistance of the TiB₂/Ti composite. The use of the AlCrN coating significantly reduces wear at the temperature up to 600 °C only, while the combined use of the AlCrN coating and hBN lubrication provides effective protection against wear even at the temperature up to 900 °C. Therefore, the synergy of the anti-wear action of the coating and the solid lubricant was proved.

PL

W niniejszej pracy wykorzystano heksagonalny azotek boru (hBN) jako smarującą międzywarstwę między podłożem kompozytowym z TiB₂/Ti chronionym powłoką AlCrN a przeciwpróbką – kulką ceramiczną wykonaną z Si₃N₄. Testy tribologiczne wykonano z zastosowaniem stanowiska SRV. Zbadano zużycie ścierne w ruchu oscylacyjnym w zakresie od temperatury pokojowej do 900°C. Rola hBN jako stałego środka smarowego została zbadana z wykorzystaniem mikroskopii 3D oraz spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii. Wyniki przeprowadzonych badań potwierdziły, że w warunkach wysokich temperatur zastosowanie heksagonalnego azotku boru pełniącego funkcję smaru stałego nie powoduje zwiększenie odporności na zużycie kompozytu TiB₂/Ti. Zastosowanie powłoki AlCrN powoduje znaczącą redukcję zużycia jedynie do temperatury 600°C, podczas gdy łączne zastosowanie powłoki AlCrN i smarowania hBN stanowi skuteczną ochronę przed zużyciem nawet do 900°C. Wykazano zatem synergię przeciwzużyciowego działania powłoki i smaru stałego.

Słowa kluczowe

EN

TiB2/Ti composites; AlCrN coatings; PVD; hexagonal boron nitride; spark plasma sintering; wear; high-temperature; cermet

PL

kompozyty TiB2/Ti; powłoki AlCrN; metoda PVD; heksagonalny azotek boru; iskrowe spiekanie plazmowe; zużycie; temperatura wysoka; cermet

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 1
• Strony: 43--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Łuszcz Maciej

• Łukasiewicz – Institute for Sustainable Technologies, Tribology Center, K. Pułaskiego 6/10 Street, 26-600 Radom, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1796-9195

autor

Michalczewski Remigiusz

• Łukasiewicz – Institute for Sustainable Technologies, Tribology Center, K. Pułaskiego 6/10 Street, 26-600 Radom, Poland.

• https://orcid.org/0000-0002-9199-616X

autor

Kalbarczyk Marek

• Łukasiewicz – Institute for Sustainable Technologies, Tribology Center, K. Pułaskiego 6/10 Street, 26-600 Radom, Poland
• Faculty of Mechanical Engineering, Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom, E. Stasieckiego 54 Street, 26-612 Radom, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0286-5705

autor

Osuch-Słomka Edyta

• Łukasiewicz – Institute for Sustainable Technologies, Tribology Center, K. Pułaskiego 6/10 Street, 26-600 Radom, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2302-2646

autor

Molenda Jarosław

• Łukasiewicz – Łukasiewicz – Institute for Sustainable Technologies, Bioeconomy and Ecoinnovation Centre, K. Pułaskiego 6/10 Street, 26-600 Radom, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3477-4971

autor

Liu Le

• Tallinn University of Technology, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn, Estonia

• https://orcid.org/0000-0003-3249-890X

autor

Antonov Maksim

• Tallinn University of Technology, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn, Estonia

• https://orcid.org/0000-0002-4302-6708

autor

Hussainova Irina

• Tallinn University of Technology, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn, Estonia.

• https://orcid.org/0000-0003-3081-2491

Bibliografia

• 1. Nartu M.S.K.K.Y., Pole M., Mantri S.A., Haridas R.S., Scharf T.W., McWilliams B., Cho K., Mukherjee S., Dahotre N.B., Banerjee R.: Process induced multi-layered Titanium – Boron carbide composites via additive manufacturing. Additive Manufacturing. 2021, vol. 46.
• 2. Kumar R., Liu L., Antonov M., Ivanov R., Hussainova I.: Hot sliding wear of 88 wt.% TiB-Ti composite from SHS produced powders. Materials. 2021, vol. 14, 1242.
• 3. Wu L., Qiu L., Du Y., Zeng F., Lu Q., Tan Z., Yin L., Chen L., Zhu J.: Structure and Mechanical Properties of PVD and CVD TiAlSiN Coatings Deposited on Cemented Carbide. Crystals. 2021, vol.11.
• 4. Kumar R., Antonov M., Liu L., Hussainova I.: Sliding wear performance of in-situ spark plasma sintered Ti-TiBw composite at temperatures up to 900 °C. Wear. 2021, vol. 476.
• 5. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Słomka Z., Osuch – Słomka E., Łuszcz M., Liu L., Antonov M.,Hussainova I.: Sliding wear performance of AlCrN coating on TiB2/Ti composites at high temperatures. Materials. 2021, vol. 14.
• 6. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Slomka Z., Sowa S., Łuszcz M., Osuch-Słomka E., Maldonado-Cortés D., Liu L., Antonov M., Hussainova I.: The wear of PVD coated elements in oscillation motion at high temperature. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. 2021, vol. 70, pp. 500–507.
• 7. Endrino J.L., Derflinger V.: The influence of alloying elements on the phase stability and mechanical properties of AlCrN coatings. Surface and Coatings Technology. 2005, vol. 200, pp. 988-992.
• 8. Endrino J.L., Fox-Rabinovich G.S., Reiter A., Veldhuis S.V., Escobar Galindo R., Albella J.M., MarcoJ.F.: Oxidation tuning in AlCrN coatings. Surface and Coating Technology. 2007, vol. 201, pp. 4505–4511.
• 9. Moghaddam P.V., Prakash B., Vuorinen E., Fallqvist M., Andersson J.M., Hardell J.: High temperature tribology of TiAlN PVD coating sliding against 316L stainless steel and carbide-free bainitic steel. Tribology International. 2021, vol. 159.
• 10. Jianxin D., Aihua L.: Dry sliding wear behaviour of PVD TiN, Ti55Al45N amd Ti35Al65N coatings at temperatures up to 600 °C. Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2013, vol. 41, pp.241–249.
• 11. Kumar R., Hussainova I., Rahmani R., Antonov M.: Solid lubrication at high-temperatures—a review. Materials. 2022, vol. 15.
• 12. Morsi K., Patel V.V.: Processing and properties of titanium–titanium boride (TiBw) matrix composites—a review. Journal of Materials Science. 2007, vol. 42, pp. 2037–2047.
• 13. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Slomka Z., Hussainova I., Liu L., Antonov M.: Adhesion of AlCrN coating deposited on TiB2/Ti composites sintered by SPS dedicated for high temperature tribological applications. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021, vol. 1140.
• 14. Liu L., Minasyan T., Ivanov R., Aydinyan S., Hussainova I.: Selective laser melting of TiB2-Ti composite with high content of ceramic phase. Ceramics International. 2020, vol. 46, pp. 21128–21135.
• 15. Liu L., Aydinyan S., Minasyan T., Hussainova I.: SHS produced TiB2-Si powders for selective laser melting of ceramic-based composite. Applied Sciences. 2020, vol. 10.
• 16. Kumar R., Aydinyan S., Ivanov R., Liu L., Antonov M., Hussainova I.: High-temperature wear performance of hBN-added Ni-W composites produced from combustion-synthesized powders. Materials, 2022, vol. 15.
• 17. Liu L., Ivanov R., Kumar R., Minasyan T., Antonov M., Hussainova I.: Functionally gradient Ti6Al4VTiBcomposite produced by spark plasma sintering. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021, vol. 1140.
• 18. Niesłony P., Małecka J., Hepner M., Bogdan-Chudy M.: Investigation of friction and wear mechanisms of PVD-TiAlN coated carbide against Ti6Al4V titanium alloy using a pin-on-disc tribometer. Tribologia.2015, vol. 260, pp. 87–102.
• 19. Luo Q.: Temperature dependent friction and wear of magnetron sputtered coating TiAlN/VN. Wear.2011, vol. 271, pp. 2058–2066.
• 20. Kałdoński T.: Tribologiczne zastosowania azotku boru. Wojskowa Akademia Techniczna. Warszawa2006.
• 21. Torres H., Podgornik B., Jovičević-Klug M., Rodríguez Ripoll M.: Compatibility of graphite, hBN and graphene with self-lubricating coatings and tool steel for high temperature aluminium forming. Wear.2022, vol. 490–491.
• 22. Kumar R., Antonov M.: Self-lubricating materials for extreme temperature tribo-applications. Materials Today: Proceedings. 2021, vol. 44, pp. 4583–4589.
• 23. Hubáček M., Ueki M., Sato T., Brožek V.: High-temperature behaviour of hexagonal boron nitride. Thermochimica Acta. 1996, vol. 282–283, pp. 359–367.
• 24. Yilmaz Z., Savaci U., Turan S., Ay N.: The effect of in-situ formed layered hBN on the machinability and mechanical properties of SPS sintered SiC. Ceramics International. 2022, vol. 48, pp. 1047–1056.
• 25. Michalczewski R., Kalbarczyk M., Maldonado-Cortés D.: The method of tribotesting of PVD coated elements in oscillation motion at high temperature. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021, vol. 1140.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).