Наноструктурное покрытие из гранулированного композита

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектронике, альтернативной энергетике и т.д. Наноструктурное покрытие из наногранулированного композита «металл-керамика», преимущественно (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x, получено методом ионно-лучевого напыления на подложки и представляет собой наноструктурный материал, состоящий из металлических гранул со средним диаметром преимущественно 2-6 нм, расположенных в объеме керамической матрицы. Концентрация металлической фазы составляет 20-60 ат.%, предпочтительно 30-56 ат.%. Изобретение обеспечивает повышенную износостойкость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости защитного покрытия. 1 ил.

 

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектроники, альтернативной энергетике и т.д.

Исследования последних лет показали, что материалы и покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и наноструктурными упрочняющими элементами обладают улучшенными физико-химическими и механическими свойствами. Поэтому в последние годы во всем мире проводятся работы по разработке способов получения материалов с наноструктурой.

Как правило, получаемые покрытия представляют собой металлические сплавы и поэтому улучшают свойства защищаемой повеохности лишь по одному из параметров, например, твердость или прочность, в то время как по другим параметрам обнаруживают значительно более низкие показатели. Традиционные способы формирования упрочняющих покрытий являются различными вариантами методов наплавки, таких как плазменное, электронно-лучевое, лазерное, аргонодуговое, электродуговое, электрошлаковое и д.р., и это позволяет при наплавлении покрытий использовать присадочные материалы для повышения прочности за счет создания гетерофазной, а не однофазной, структуры.

Известны различные методы формирования наноструктурных поверхностных слоев и наноструктурных покрытий, например, методом лазерно-плазменной обработки [В.В.Мелюков, А.В.Частиков, А.А.Чирков, А.М.Чирков, А.В.Окатов. Формирование наноструктурных поверхностных слоев методом лазерно-плазменной обработки при атмосферных условиях. Сб.: Сварка и контроль. - 2005. Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири 16-18 марта 2005 г. Челябинск, 2005, с.125-131], или методом абразивной обработки [Zhang Shu-lan, Chen Huai-ning, Lin Quanhong, Liu Gang (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, КНР). Hanjie xuebao = Trans. China Weld. Inst. 2005. 26, №3, c.73-76].

Однако эти методы и покрытия, полученные этими методами, обладают рядом недостатков.

Внешняя поверхность формируемых покрытий характеризуется значительной шероховатостью, что требует последующей дополнительной обработки, уменьшающей толщину покрытия и влияющей на структурное состояние покрытия, что в свою очередь снижает его упрочняющие характеристики. Кроме того, размеры зерен в получаемых слоях покрытия составляют сотни и более нанометров, что не является оптимальным для упрочнения получаемого наружного слоя.

Известен способ и материал, получаемый этим способом, получения наплавленного покрытия с применением в качестве присадочного материала смеси порошков исходных компонентов, включающей карбид вольфрама WC [С.Ф.Гнюсов, Д.А.Маков, В.Г.Дураков. Получение износостойких композиционных покрытий с мультимодальным распределением упрочняющей фазы. - Сб.: Сварка и контроль. - Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири 16-18 марта 2005 г. - Челябинск, 2005. С.74-82].

Указанный способ реализуется следующим образом. При аргонодуговой наплавке неплавящимся электродом по прототипу за один проход формировалось покрытие толщиной 3-4 мм. Размер зерна матрицы составлял 8,0-60,0 мкм, а средний размер частиц упрочняющей фазы составлял 3,3 мкм. При этом в полученных покрытиях находившийся в смеси порошков монокарбид вольфрама в результате воздействия сварочной дуги и значительного перегрева ванны в зоне ее действия в процессе наплавки полностью растворялся в жидкой металлической ванне, а при последующем охлаждении упрочняющая фаза выделялась в виде равноосных зерен или в виде дендритов размерами от 4 до 15 мкм.

Недостатком известного способа и материала является то, что при его использовании невозможно получить металл покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне, т.к. к началу кристаллизации в жидком металле отсутствует необходимое количество центров кристаллизации для получения металла покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание наноструктурного покрытия из гранулированного композита «металл-керамика», обеспечивающего повышенную износостойкость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что в предложенном наноструктурном покрытии из наногранулированного композита «металл-керамика», преимущественно (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x, полученном методом ионно-лучевого напыления на подложки и представляющим собой наноструктурный материал, состоящий из металлических гранул со средним диаметром преимущественно 2…6 нм, расположенных в объеме керамической матрицы, согласно изобретению концентрация металлической фазы составляет 20…60 ат.%, предпочтительно 30…56 ат.%.

Высокая износостойкость предложенных композитов обусловлена наличием в них двух принципиально различных наноструктурированных сред: металлической и диэлектрической, с высокой объемной долей границ раздела фаз, препятствующих как межзеренному скольжению, так и распространению трещин.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из следующих соображений.

Экспериментальные работы показали, что при снижении концентрации металлической фазы в нанокомпонентах менее 30 ат.% износостойкость снижается, причем в отличие от зоны с максимальной износостойкостью 30…56 ат.%, увеличение нагрузки всего лишь в два раза, от 2 до 4 Н, приводит к разрушению покрытия. По всей видимости, это является следствием изменения морфологии композитов: для таких низких концентраций металлической фазы основная объемная доля композита приходится на диэлектрик CAF2, являющийся боле хрупким материалом, чем металлический сплав. В этом случае развитие микротрещин керамического материала не блокируется лабиринтной структурой металлических наногранул и разрушение покрытия идет более активно.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из следующих соображений.

Максимум износостойкости обусловлен оптимальным объемным сочетанием двух фаз, одна из которых более пластичная, а другая - более хрупкая. Однако в тех образцах, где содержание металлической фазы составляет более 60 ат.%, происходит резкое снижение износостойкости из-за того, что металлическая фаза представляется уже в виде сравнительно больших образований из контактирующих друг с другом гранул - кластеров. С увеличением концентрации металлической фазы, происходящий рост гранул до кластеров, приводит к невозможности подавления процессов зарождения и развития дислокации, что вызывает резкое снижение прочности всего покрытия.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, где показана концентрационная зависимость размерного коэффициента износостойкости k нанокомпозита (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x, полученная экспериментальным путем.

Пример конкретного выполнения.

Композиты (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x получены методом ионно-лучевого распыления составных мишеней в среде аргона. Совместное осаждение компонентов материала производилось на ситалловые подложки СТ-60, на поверхности которых в результате процессов самоорганизации происходило формирование двухфазной структуры.

Для исследования износостойкости композитов использовались покрытия толщиной 5…6 мкм, нанесенные на ситалловые подложки и содержащие различное количество металлической фазы: 23, 30, 36, 55 и 65 ат.%.

Трибологические исследования композиционных покрытий проводились на автоматизированной машине трения High-Temperature Tribometer, CSM Instruments, Швейцария, по схеме испытания «шарик-диск» в соответствии с международными стандартами ASTM G99-959, DIN50324. Непосредственно в процессе испытаний определялся коэффициент трения трущейся пары. В качестве материала контртела, представляющего собой шарик диаметром 6 мм, использовался оксид алюминия Аl2О3. Измерение коэффициентов трения трущейся пары выполнялись на воздухе, при нагрузке на индентор от 2Н до 7Н и скорости перемещения контртела 7 см/сек. Результаты испытаний показаны на фиг.1. Из полученных экспериментальных данных следует, что коэффициент износостойкости k имеет оптимальное значение в предложенных пределах концентрации металлической фазы при напылении.

Использование предложенного технического решения позволит создать наноструктурное покрытие из гранулированного композита

Наноструктурное покрытие из наногранулированного композита «металл-керамика», преимущественно (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x, полученное методом ионно-лучевого напыления на подложки и представляющее собой наноструктурный материал, состоящий из металлических гранул со средним диаметром преимущественно 2-6 нм, расположенных в объеме керамической матрицы, характеризующееся тем, что концентрация металлической фазы составляет 20-60 ат.%, предпочтительно 30-56 ат.%.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к получению медных покрытий и может быть использовано для коррозионной защиты, декоративной обработки различных материалов, а также в электронной технике.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к нанесению детонационных покрытий на поверхности деталей машин. Технический результат - повышение равномерности толщины получаемого покрытия.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к вакуумной установке для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к нанесению покрытий из порошковых материалов посредством послойного лазерного спекания. Может использоваться для упрочнения изношенных рабочих поверхностей стальных изделий, например участков вала, расположенных в зонах подшипников.
Изобретение относится к получению фторопластового покрытия на металлических поверхностях. .

Изобретение относится к композиционным материалам на основе тугоплавких металлов и может быть использовано в электролизерах при получении алюминия. .

Изобретение относится к технологии нанесения металлополимерных покрытий на поверхности цилиндрических изделий с помощью энергии взрыва и может быть использовано при создании защитных и износостойких покрытий деталей машин и технологического оборудования для химической, нефтехимической, атомной и машиностроительной промышленности.

Изобретение относится к способу холодного газового напыления частиц разной твердости и/или вязкости и к устройству (11) для его реализации. .

Изобретение относится к комбинированным лазерно-плазменно-ультразвуковым технологиям, направленным на преобразование структуры приповерхностного обрабатываемого слоя металлов и их сплавов, а именно к способу получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов (варианты).

Изобретение относится к области нанесения покрытий, а именно к восстановлению защитной способности поврежденных высокотемпературных кремнийсодержащих покрытий на элементах конструкций из жаропрочных конструкционных материалов.

Изобретение относится к химической промышленности, к производству наноразмерных порошков оксидов металлов для мелкозернистой керамики широкого спектра. Способ получения порошка диоксида церия включает стадии: получение водного 0,05М раствора нитрата церия или ацетата церия, используя Се(NО3)3·6Н2O или Се(СН3СОО)3·Н2O, получение спиртового раствора стабилизатора золя органического N-содержащего соединения: N,N-диметилоктиламина, тетраэтиламмоний гидроксида или моноэтаноламина с концентрацией 0,45-3,30М, 0,37М и 0,016М, получение золя в водно-органической системе соединением составленных растворов, упаривание водно-органической системы, формирование геля и термообработка геля в интервале температур 95-500°С по ступенчатому графику, причем в качестве стабилизатора золя используют одно из следующих низкомолекулярных органических N-содержащих соединений (N): N,N-диметилоктиламин, тетраэтиламмоний гидроксид, моноэтаноламин в виде спиртового раствора при мольном отношении N/металл, равном 1-20.

Изобретение относится к получению металл-полимерных композиционных материалов, предназначенных для применения в радиотехнической аппаратуре в качестве радиопоглощающих и экранирующих материалов.

Настоящее изобретение относится к области фармакологии, наноматериалов и нанотехнологии и касается способа селективной доочистки наноалмазов от примесей нитрат-ионов и соединений, содержащих серу, которые могут использоваться в фармацевтике, заключающегося в том, что очищенный от шихты порошок наноалмаза обрабатывают водным раствором щелочи с концентрацией 0,01-1 моль/л при 20-100°C с последующей декантацией или центрифугированием образующейся суспензии, промывкой полученного осадка водой с применением ультразвуковой обработки, его отделением и сушкой.

Изобретение относится к области медицины, в частности к фармакологии и фармацевтике, и касается седативного средства, представляющего собой глицин, иммобилизованный на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, и способа его получения.

Изобретение относится к области фармацевтики и медицины и касается антигипоксанта, представляющего собой аминокислоту глицин, иммобилизованную на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, и способа его получения.
Изобретение относится к способу улучшения фотостабильности полупроводниковых квантовых точек типа ядро-оболочка, в которых внутреннее полупроводниковое ядро покрыто оболочкой из органических, металлоорганических или кремнийорганических соединений.

Изобретение относится к измерительной технике. В способе изготовления датчика вакуума с наноструктурой получают гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют тонкопленочный полупроводниковый резистор, после чего ее закрепляют в корпусе датчика, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к технологическому процессу получения полипропилена или сополимера пропилена, например, по способу стереоспецифической полимеризации. Описан способ получения «нанополипропилена» - нанокомпозитов полипропилена и сополимеров пропилена.
Изобретение относится к полимерным композициям и может быть использовано для изготовления полимерных труб, предназначенных для транспортировки воды, газа, нефтепродуктов и т.д.

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектроники, альтернативной энергетике и т.д. Способ повышения износостойкости наноструктурного покрытия из гранулированного композита «металл-керамика», преимущественно (CO40Fe40B20)x(CaF2)100-x, получаемого методом ионно-лучевого напыления на подложки и представляющего собой наноструктурный материал, состоящий из металлических гранул со средним диаметром преимущественно 2-6 нм, расположенных в объеме керамической матрицы, характеризуется тем, что концентрацию металлической фазы при напылении выбирают в пределах 20-60 ат.%, предпочтительно 30-56 ат.%. Изобретение обеспечивает повышенную износостойкость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости. 1 ил.

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектронике, альтернативной энергетике и т.д. Наноструктурное покрытие из наногранулированного композита «металл-керамика», преимущественно x100-x, получено методом ионно-лучевого напыления на подложки и представляет собой наноструктурный материал, состоящий из металлических гранул со средним диаметром преимущественно 2-6 нм, расположенных в объеме керамической матрицы. Концентрация металлической фазы составляет 20-60 ат., предпочтительно 30-56 ат.. Изобретение обеспечивает повышенную износостойкость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости защитного покрытия. 1 ил.

Наверх