Способ получения износостойкого композиционного наноструктурированного покрытия

Изобретение относится к способу получения износостойкого композиционного наноструктурированного покрытия, обеспечивающего высокую твердость и износостойкость поверхности деталей и узлов пар трения, работающих в особо жестких условиях эксплуатации. Способ включает холодное газодинамическое напыление агломерированных композиционных частиц порошка сверхзвуковой газовой струей на поверхность обрабатываемой детали. Напыление проводят с образованием слоя, представляющего из себя композиционный порошок, содержащий металлический пластичный порошок, армированный твердыми ультрадисперсными неметаллическими частицами на глубину не менее ¼ своего диаметра. Металлический пластичный порошок выполнен из одного или нескольких металлов из группы: Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Co, Fe, Ag, металлов платиновой группы, редкоземельных металлов, интерметаллидов и/или сплавов на их основе. Неметаллические частицы представляют из себя оксиды, нитриды, карбиды и/или их комбинации. В результате получают износостойкое покрытие с повышенной когезией и адгезией с поверхностью обрабатываемой детали. 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области получения композиционных наноструктурированных покрытий, в частности к покрытиям, обеспечивающим высокую твердость и износостойкость поверхности деталей и узлов пар трения, работающих в особо жестких условиях эксплуатации. Как известно, наиболее долговечными являются металлические и металлокерамические покрытия, которые позволяют обеспечить особо высокие механические и специальные защитные свойства изделий.

Изобретение заключается в получении композиционных покрытий методом холодного газодинамического напыления (ХГДН) агломерата пластичного металлического порошка, армированного неметаллическими частицами.

В известных способах газотермического напыления порошковых материалов на подложку для получения высокой адгезии используются высокотемпературные двухфазные потоки (например: плазма, энергия взрыва, тепловая энергия сгорания газов, электромагнитный луч). Свойства при этом определяются физико-химическими процессами, происходящими при взаимодействии с подложкой расплавленных или близких к этому состоянию частиц напыляемого материала.

При методе газотермического нанесения металлических покрытий с температурой гетерофазного потока более 3000°С имеют место ряд специфических эффектов, которые ограничивают возможности его применения. Это прежде всего образование оксидов, нитридов, карбидов, структурные изменения, возникновение высоких термомеханических напряжений вследствие разности коэффициентов термического расширения подложки и наносимого покрытия, эти явления значительно снижают качество покрытия и прочность адгезии наносимого материала к подложке и когезию нанесенного слоя.

Особые сложности возникают при нанесении неравновесных, химически активных материалов. При температуре (0,4-0,6) от температуры плавления металла или сплава происходит деградация исходной структуры, возникновение хрупких фаз, образование сложных окислов. Это приводит к заметному снижению технологических и эксплуатационных свойств покрытия и изделия в целом. Поэтому в последнее время идут интенсивные поиски низкотемпературных методов формирования высокофункциональных покрытий, не имеющих указанных недостатков.

Одним из таких методов является метод высокоскоростного холодного газодинамического напыления (ХГДН).

Суть метода состоит в нанесении на обрабатываемую поверхность порошков металлов или их смесей, транспортируемых с помощью сверхзвуковых потоков газов. По известным технологиям порошковый материал, представляющий собой мелкодисперсные частицы размером от 1 до 120 мкм, ускоряется в сверхзвуковом сопле потоком сжатого газа до скоростей, превышающих скорость звука, и направляется на покрываемую поверхность. При этом температура наносимого материала, как правило, не превышает 100°С. За счет изменения массового расхода наносимого порошка и введения пластификатора добиваются регулирования химического состава по толщине. Метод холодного газодинамического напыления позволяет производить напыление пленок и покрытий с толщиной от 1 мкм до нескольких миллиметров.

Известно несколько модификаций метода ХГДН и способов нанесения композиционных материалов для получения покрытий с высокой износостойкостью. Также известны методики изготовления самих композиционных порошков. Недостатком известных изобретений, в частности прототипа, является удаление армирующего компонента из покрытия в процессе напыления, что отражается в недостаточно высокой износостойкости по сравнению с предложенной методикой. Сложности возникают также при предварительной обработке поверхности изделия и доведении его поверхности до ювенильного состояния. Оптимальным является совмещение процессов создания ювенильной поверхности изделия и напыления покрытия. Кроме того, в известных аналогах изготовление агломерированных порошков представляет собой трудоемкий и длительный процесс, связанный с термической обработкой в барабанных печах в атмосфере газов, вакуума в течение нескольких часов.

Рассмотренные в данном изобретении процессы связаны с новыми составами и методами, основанными на холодном напылении и использующимися для приготовления износостойких и коррозионно-стойких покрытий системы металл-неметалл и металл-квазикристалл. Изобретение включает в себя создание новых композитов, состоящих из мелкодисперсного металлического порошка и армирующего неметаллического компонента, сцепленных друг с другом, которые могут использоваться в усовершенствованном процессе холодного напыления для осаждения покрытия на подложку.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является методика, описанная в прототипе №US 2006/0090593, опубликован 04.05.2006, где представлен способ формирования тонких металлических покрытий методом холодного напыления и методика изготовления исходного композиционного порошка:

1. Способ заключается в получении тонких металлических покрытий толщиной от 1 до 10 мкм из агломератов твердых сфер.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что композиты представляют собой агломерированные металлическими частицами жесткие сферы.

Жесткие сферы могут быть из стекла, оксидов и нитридов металлов, а также стальной стружки.

Металлические частицы могут быть из алюминия, меди, никеля, цинка, кобальта, железа, титана, серебра, золота, хрома, вольфрама, их сплавов, а также интерметаллидов Ti-Al, Fe-Ag и Ni-Al.

Твердость жестких сфер должна быть выше 4 единиц по шкале Моса.

Средний размер жестких сфер преимущественно в 100-1000 раз больше размера частиц металлического порошка.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что агломерированный композит получают методом смешивания металлического порошка и жестких сфер в барабанной печи при повышенных температурах до 150°С в атмосфере инертного газа при выдержках до 2 часов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении покрытия из полученного агломерата жесткие сферы отскакивают от поверхности подложки, таким образом образуется тонкое металлическое износостойкое покрытие.

Недостатки прототипа заключаются в том, что:

1. Не обеспечивается высокая твердость, т.к. в самом покрытии практически отсутствует упрочняющий компонент (жесткие сферы), т.е. происходит удаление армирующего компонента из покрытия в процессе напыления.

2. Не обеспечивается предварительная очистка подложки от окислов и других неметаллических включений, что приводит к снижению адгезии и когезии покрытия.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание эффективного способа изготовления агломерированных композиционных порошков и нанесения износостойких, наноструктурированных покрытий, обеспечивающих более высокую износостойкость и низкую пористость, а также адгезию с подложкой и когезию покрытия.

Технический результат достигается за счет разработки технологии дезинтеграторно-активаторной обработки и способа нанесения покрытий методом ХГДН. Согласно изобретению технологический процесс состоит из следующих стадий:

1. Металлический порошок, который может состоять из одного или нескольких металлов из группы: алюминия, цинка, меди, никеля, титана, кобальта, железа, серебра, металлов платиновой группы, редкоземельных металлов, а также сплавов на их основе, имеющие фракционный состав 10-50 мкм и частицы армирующего порошка, состоящие из оксидов, нитридов, карбидов или их комбинаций с фракционным составом преимущественно от 0,08 до 5 мкм, помещается в дезинтеграторную установку типа ДЕЗИ-11, где происходит обработка при ускорениях соударения не менее 250 g. Обработка происходит при комнатной температуре в воздушной атмосфере в течение несколько секунд. Результатом дезинтеграторной обработки является внедрение твердых неметаллических частиц в пластичную металлическую сферу на глубину не менее ¼ максимального размера неметаллической частицы. Таким образом, агломерированные частицы становятся единой механической системой, способной без разрушения (отделения мелкой неметаллической компоненты от металлической сферы), во-первых, переноситься сверхзвуковым гетерофазным потоком и, во-вторых, образовывать гомогенное по структуре и составу композиционное покрытие системы металл - неметалл с заданным уровнем свойств.

2. Нанесение покрытия с использованием полученного агломерированного композиционного порошка осуществляется на установке «ДИМЕТ-403» и происходит в три последовательные стадии:

- На первой стадии предварительно вводят в сверхзвуковой поток подогретого газа армирующие неметаллические ультрадисперспые частицы, например Аl₂O₃, фракцией от 0,1 до 1,0 мкм, и проводят обработку поверхности напыляемого изделия до образования ювенильной поверхности, скорость гетерофазного потока при этом составляет 300-400 м/с.

- На второй стадии на ювенильную поверхность напыляемого изделия наносят порошковую композицию из дозатора 1 для получения промежуточного слоя, обеспечивающего высокую адгезию покрытия к подложке, скорость гетерофазного потока 400-650 м/с. Толщина промежуточного слоя составляет 1/3 от толщины покрытия.

- На третьей стадии на подслой производят нанесение 2/3 планируемой толщины покрытия из дозатора 2, в котором находится агломерированный порошок, скорость при этом составляет 400-650 м/с.

Удельная поверхность металлического порошка и армирующих частиц может учитываться в разработке формулы для агломератов. Однако обычно более эффективным является эмпирическое определение отношения количества металлического порошка к количеству армирующих частиц. В основном, слишком маленькое количество армирующего компонента приводит к потере эффективности напыляемого покрытия, а слишком большое количество армирующего компонента в композите приводит к удалению его с поверхности в процессе напыления. В рамках данного изобретения производилось варьирование количества армирующего компонента от 5 до 90%.

Фракционный состав основной металлической составляющей композита обусловлен ограничениями метода холодного газодинамического напыления по размеру напыляемого порошка. Показано, что частицы порошка меньше 5 мкм в диаметре уносятся с поверхности подложки благодаря ударному слою, что вероятнее всего объясняется недостаточной массой, и таким образом, импульса для проталкивания частиц через ударный слой не хватает. При разработке предлагаемого способа с использованием лазерного доплеровского измерителя скорости на основе сферического интерферометра Фабри-Перро установлено, что при скоростях 600 м/с и более наблюдается существенное увеличение турбулентности потока. При этом возрастает энергия встречи дисперсных частиц с преградой, а соответственно и повышается адгезионная и когезионная прочность покрытия, а также возрастает коэффициент использования порошка. Однако этот эффект снижается при использовании порошка крупной фракции свыше 50 мкм. Экспериментально установлено, что наиболее подходящая фракция для данного технологического процесса составляет 5-50 мкм.

Оперативный контроль фракционного состава порошков проводился с использованием классификатора типа «ИГ-6У», анализатора ситового типа «А-20» и лазерного анализатора частиц типа «ЛАСКА-1К».

Испытания на адгезионную и когезионную прочность проводились клеевым методом, который является наиболее простым при количественной оценке прочности покрытия. Для проведения измерения прочность клея должна превышать или быть сравнимой с прочностью сцепления покрытия к подложке.

Покрытия, получаемые при помощи данного метода, имеют высокую износостойкость. Твердость покрытия выше, чем у обычных материалов без покрытия и выше, чем у материалов с металлическими покрытиями, полученными классическим методом холодного напыления.

В качестве металлического порошка-основы использовался порошок системы АСД-1, размер фракции 50 мкм. В качестве армирующего компонента использовался порошок Аl₂O₃ дисперсностью 0,5-1 мкм.

Количество армирующего компонента по отношению к основному металлу - от 5 до 90% Аl₂О₃.

Дезинтеграторная обработка проводилась в течение двух минут.

В качестве носителя (подложки) использовался сплав алюминия типа АМГ.

Напыление производилось в три этапа, на первом этапе включается дозатор 1, в который помещается порошок Аl₂О₃ фракцией 0,5-1 мкм. Производится обработка поверхности до ювенильного состояния, дозатор 1 отключается. На втором этапе включается дозатор 2, в который насыпается порошок АСД-1, происходит напыление промежуточного слоя, обеспечивающего снижение влияния термического расширения, после чего дозатор 2 отключают. На третьей стадии порошок из дозатора 1 заменяют на композиционный агломерированный порошок и производят напыление слоя с толщиной, которая составляет 2/3 толщины промежуточного слоя.

Предлагаемый способ опробован на специализированном участке ЦНИИ КМ "Прометей".

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа нанесения наноструктурированного композиционного износостойкого покрытия по сравнению с прототипом выразится в увеличении надежности работы узлов за счет увеличения износостойкости, сплошности, а также повышения когезии и адгезии покрытия с поверхностью.

1. Способ получения износостойкого композиционного наноструктурированного покрытия, включающий холодное газодинамическое напыление агломерированных композиционных частиц порошка сверхзвуковой газовой струей на поверхность обрабатываемой детали, отличающийся тем, что напыление проводят с образованием слоя, представляющего из себя композиционный порошок, содержащий металлический пластичный порошок, армированный твердыми ультрадисперсными неметаллическими частицами на глубину не менее ¼ своего диаметра, причем металлический пластичный порошок выполнен из одного или нескольких металлов из группы: Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Co, Fe, Ag, металлов платиновой группы, редкоземельных металлов, интерметаллидов и/или сплавов на их основе, а неметаллические частицы представляют из себя оксиды, нитриды, карбиды и/или их комбинации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердость неметаллических частиц превышает 5 единиц по шкале Моса, а средний размер преимущественно в 100-1000 раз меньше, чем размер частиц металлического пластичного порошка.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение количества армирующих твердых ультрадисперсных неметаллических частиц и металлической пластичной основы в композиционном порошке варьируется от 5 до 90%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что агломерированный композит получают методом дезинтеграторной обработки при скоростях соударения не менее 250 g.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер фракций композиционного агломерированного порошка составляет от 10 до 60 мкм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя из агломерированного композиционного порошка составляет 2/3 общей толщины покрытия.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что до напыления осуществляют подготовку поверхности до ювенильного состояния и нанесение промежуточного слоя из металлического пластичного порошка одного или нескольких металлов из группы Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Co, Fe, Ag, металлов платиновой группы, редкоземельных металлов, интерметаллидов и/или сплавов на их основе.