Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев



Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев
Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев
Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев

 

C21D1/09 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2527511:

Общество с ограниченной ответственностью "СВЧ ЛАБ" (RU)

Изобретение относится к способам упрочнения поверхности металлических материалов с помощью формирования наноразмерных покрытий путем воздействия лазерного излучения и может быть применено в различных отраслях промышленности для получения износостойких и антифрикционных покрытий. Формирование наноразмерного поверхностного покрытия осуществляют путем обработки поверхности металлических изделий легирующим сплавом, используемым в мелкодисперсной порошкообразной форме. Облучение поверхности сфокусированным оптическим тепловым лучом высокоэнергетического квантового генератора осуществляют путем перемещения лазерного луча с шагом в 25 микрон и с мощностью, достаточной для точечного расплавления слоя легирующего сплава, состоящего из нанокомпозитных систем, осуществляют вплавление слоя легирующего сплава в обрабатываемое изделие. Затем охлаждают поверхность обрабатываемой детали струей сжатого воздуха с температурой 20°C под давлением 8 кПа для кристаллизации легирующего сплава на металлической поверхности изделия с обеспечением дополнительного адгезионного сцепления слоя легирующего сплава с охлажденной поверхностью изделия без изменения структуры поверхности и с образованием на ней слоя легирующего сплава с нитридной и/или карбидной матрицей с нанокомпозитной структурой, при этом мощность лазерного излучения определяют выражением Р=1*10-2*V*C*T/L, в котором Р - мощность лазерного излучения, Вт, 1*10-2 - математическая константа, V - скорость перемещения лазерного луча по поверхности, мм/сек, С - теплоемкость легирующего сплава, Дж/К, Т - температура плавления легирующего сплава, К, L - толщина слоя легирующего сплава, мм. Повышается качество создаваемого на поверхности деталей покрытия, обладающего высокими жаростойкостью, коррозионной и эрозионной стойкостью. 3 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к способам упрочнения поверхности металлических материалов с помощью формирования наноразмерных покрытий путем воздействия лазерного излучения и может быть применено в различных отраслях промышленности для получения износостойких и антифрикционных покрытий.

Известны различные методы воздействия на деталей с целью их поверхностного упрочнения, например известен: «Способ контроля толщины упрочненного слоя при лазерной термической обработке металлических изделий», включающий предварительное определение графической зависимости толщины упрочненного слоя при закалке лазером от заданного параметра на опытных образцах из стали изделия, измерение заданного параметра из графической зависимости, полученной на опытных образцах, с целью повышения точности измерения, толщину упрочненного слоя определяют в зависимости от концентрации углерода в мартенсите стали, а в качестве параметра измеряют концентрацию углерода в мартенсите стали на поверхности изделия в зоне, ограниченной по ширине (0,3-0,7)d, где d - диаметр луча лазера на поверхности изделия. Патент РФ на изобретение №1832730, MIIK:C21D 1/09, опубл. 20.02.1996 г.

Известен также «Способ упрочнения поверхности изделий из металлических материалов с получением наноструктурированных поверхностных слоев», включающий обработку потоками высокотемпературной импульсной плазмы, отличающийся тем, что обработке подвергают изделие типа тела вращения, при этом поверхность изделия предварительно плакируют припоем на основе быстрозакаленных сплавов, а обработку плакированной поверхности проводят в камере потоками высокотемпературной импульсной самостягивающейся плазмы путем воздействия на всю плакируемую поверхность каждым импульсом плазмы с числом импульсов и их длительностью, выбираемыми из условия получения наноструктурированных поверхностных слоев. Патент РФ на изобретение №2418074, МПК: С21 1/09; опубл. 07.10.2009 г.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения техническому объекту является: «Способ формирования наноразмерных поверхностных покрытий», включающий энергетическое воздействие на предварительно очищенные участки поверхности твердокристаллического материала типа твердый раствор, энергетическое воздействие осуществляют лазерным излучением с частотой следования импульсов не менее 4 кГц, при этом максимальная плотность мощности воздействующего импульсно-периодического лазерного излучения не превышает значения q<4,88λ, (T)*Tпл/Df, где λ (Т )- коэффициент теплопроводимости материала; Тпл - температура плавления материала; Df - апертура лазерного излучения в плоскости обработки, нагрев осуществляют в течение промежутка времени не менее 30 с.

Патент РФ на изобретение №2371380, МПК: B23C 26/00, опубл. 2008.07.01. Технический результат заключается в повышении качества создаваемого на поверхности деталей покрытия путем упрочнения их поверхности слоем легирующего сплава с помощью лазерного излучения.

Достижение указанного результата обеспечивается за счет того, что «Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев» включает формирование наноразмерного поверхностного покрытия с последующим энергетическим воздействием на подготовленные участки поверхности лазерным излучением. При этом формирование наноразмерного поверхностного покрытия осуществляют путем обработки поверхности металлических изделий легирующим сплавом, используемым в мелкодисперсной порошкообразной форме. Облучение поверхности осуществляют сфокусированным оптическим тепловым лучом высокоэнергетического квантового генератора путем перемещения лазерного луча с шагом в 25 микрон и с мощностью, достаточной для точечного расплавления слоя легирующего сплава, состоящего из нанокомпозитных систем. В процессе обработки происходит вплавление слоя легирующего сплава в обрабатываемое изделие. Затем охлаждают поверхность обрабатываемой детали струей сжатого воздуха с температурой 20°C под давлением 8 кПа. При этом происходит кристаллизация легирующего сплава на металлической поверхности изделия, вызывающая в свою очередь дополнительное адгезионное сцепление слоя легирующего сплава с охлажденной поверхностью изделия, без изменения структуры поверхности и с образованием на ней слоя легирующего сплава с нитридной и/или карбидной матрицей нанокомпозитной структуры. В свою очередь мощность лазерного излучения находится в зависимости, равной P=1*10-2*V*C*T/L,

где P - мощность лазерного излучения, Вт;

1*10-2 - математическая константа;

V - скорость перемещения лазерного луча по поверхности, мм/сек;

С - теплоемкость легирующего сплава, Дж/К;

Т - температура плавления легирующего сплава, К;

L - толщина слоя легирующего сплава, мм.

Нанокомпозитные системы включают смесь металлических и неметаллических соединений, состав которых находится в прямой зависимости от характеристики покрытия полученного изделия с упрочненной поверхностью и их назначения и области применения.

Примеры конкретной реализации способа: формирование наноразмерного поверхностного покрытия осуществляют путем обработки поверхности металлических изделий легирующим сплавом. Для этого на обрабатываемый участок металла наносится легирующий сплав в мелкодисперсной порошкообразной форме. Изделие закрепляется на неподвижной основе. Энергетическое воздействие осуществляется путем направления на поверхность обрабатываемой детали лазерного луча оптической головки по заданной программе ЧПУ, которая перемещая луч с шагом в 25 микрон, осуществляет вплавление слоя легирующего сплава в тело обрабатываемой детали и с мощностью, достаточной для точечного расплавления слоя легирующего сплава, состоящего из нанокомпозитных систем.

Мощность лазерного излучения находится в зависимости, равной

P=1*10-2*V*C*T/L,

где Р - мощность лазерного излучения, Вт;

1*10-2 - математическая константа;

V - скорость перемещения лазерного луча по поверхности, мм/сек;

С - теплоемкость легирующего сплава, Дж/К;

Т - температура плавления легирующего сплава, К;

L - толщина слоя легирующего сплава, мм.

Затем охлаждают поверхность обрабатываемой детали струей сжатого воздуха с температурой 15-25°C под давлением 8 кПа. При этом происходит кристаллизация легирующего расплава на металлической поверхности детали, вызывающая в свою очередь дополнительное адгезионное сцепление легирующего слоя с охлажденной поверхностью изделия, без изменения структуры поверхности и с образованием на поверхности слоя легирующего сплава с нитридной и/или карбидной матрицей нанокомпозитной структуры (см. фото 1).

Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев предназначен для упрочнения методом легирования любых металлических поверхностей. Он способен выполнять слойное, поверхностное, плавленолитое легирование составом из ингредиентов различных металлов и соединений. Это недоступно другим способам, тем более электрохимическому. Для получения нужного результата достаточно нанести слой легирующего компонента на поверхность и обработать лазерным лучом. Слой может иметь толщину до нескольких десятых долей миллиметра и состоять из смеси различных ингредиентов металлов и неметаллических соединений. Предложенный в качестве изобретения способ открывает возможности изготовления различных твердых, интерметаллических, высоко тугоплавких, нанокомпозитных систем, в том числе (W+Re). (Mo+Re) и др. Их матрицы имеют преимущественно металлическую связь. Это несуществующие в природе высокотемпературные материалы с нитридной и/или карбидной дисперсионной, наноупрочненной структурой, Матрицы их обладают свойствами высокотемпературной твердости, жаропрочности и стойкости в высокой температуре. Сродство структур металлов и металлических нанокомпозитов, с хорошей текучестью, позволяют наплавлять на них сплошные плавленолитые мультислои защитно-упрочняющих покрытий, в том числе на рабочие поверхности перьев лопаток турбинных двигателей (ТРД). Слои легко сплавляются между собой и с рабочими поверхностями перьев. Толщина мультислоя до 0,5 мм. Несмотря на небольшую толщину слоя такой метод упрочнения рабочих поверхностей перьев лопаток турбин является их эффективной высокотемпературной защитой и многократно увеличивает устойчивость к коррозионным и эрозионным износам перьев лопаток, работающих в потоке высокотемпературного реактивного газа при температуре выше 1200°C. Такой слой покрытия не может быть отслоен или разрушен любым другим воздействием.

Кроме того, применение мультислоев таких нано-металло-керметных упрочняющих защитных, высокотемпературных, жаростойких покрытий, в авиационных и космических отраслях, обеспечит эффективный одновременный подъем термических, механических, коррозионных и эрозионных параметров свойств металлических изделий, изготовленных вышеописанным способом.

Приведен пример получения высокотемпературного покрытия для упрочнения поверхностей любых деталей высокую твердость и жаропрочность. Выполняется это превращением микроструктуры их поверхностного слоя (0,3÷0,5 мм), в нитридо-карбидное наносоединение - МЕТАЛЛИД высокой жаропрочности (Фото 1). Жаропрочность можно и дальше повышать наплавлением дополнительных упрочняющих плавленолитых слоев из металлидного расплава. Состоит расплав из смеси ингредиентов важнейших тугоплавких металлических систем /их 13/ в любой комбинации. Жаростойкость металлида можно увеличивать наплавлением на его поверхность, защитных плавленолитых слоев из расплава жаростойкого нанометаллидо-керметного соединения (Фото 2) с жаростойкостью до 10000°C. Когезионная прочность сцепления слоев исключает расслоения, не изменяет размеры и микроструктуру детали. Микротвердость покрытий до HV=8÷103 кг/мм2≈(β BN куб. - боразон).

Жаростойкость нанометаллидных соединений и покрытий выше 4000°C. Микротвердость слоев до - HV=8÷103 кг/мм2 ≈βN куб. (боразон). (Алмаз - HV=10060 кг/мм2).

Данный способ обработки лазерным лучом может быть применен также при диффузионном насыщении поверхностных слоев деталей азотом (нитроазотирование), углеродом (нитроцементация) или их смесью. Это обеспечит многократное повышение контактной усталостной прочности без изменения размеров изделий, структура на (Фото 3).

Предлагаемый в качестве изобретения «Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев» позволяет получать комбинированные покрытия с высокими качественными характеристиками поверхностного слоя обрабатываемых изделий, в результате применения этого способа получают изделия с покрытиями, обладающими высокими жаростойкостью, коррозионной и эрозионной стойкостью.

Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев, включающий формирование наноразмерного поверхностного покрытия с последующим энергетическим воздействием на подготовленные участки поверхности лазерным излучением, отличающийся тем, что формирование наноразмерного поверхностного покрытия осуществляют путем обработки поверхности металлических изделий легирующим сплавом, используемым в мелкодисперсной порошкообразной форме, а облучение поверхности сфокусированным оптическим тепловым лучом высокоэнергетического квантового генератора осуществляют путем перемещения лазерного луча с шагом в 25 микрон и с мощностью, достаточной для точечного расплавления слоя легирующего сплава, состоящего из нанокомпозитных систем, при этом осуществляют вплавление слоя легирующего сплава в обрабатываемое изделие, затем охлаждают поверхность обрабатываемой детали струей сжатого воздуха с температурой 20°C под давлением 8 кПа для кристаллизации легирующего сплава на металлической поверхности изделия с обеспечением дополнительного адгезионного сцепления слоя легирующего сплава с охлажденной поверхностью изделия без изменения структуры поверхности и с образованием на ней слоя легирующего сплава с нитридной и/или карбидной матрицей с нанокомпозитной структурой, при этом мощность лазерного излучения определяют выражением Р=1*10-2*V*C*T/L, в котором Р - мощность лазерного излучения, Вт, 1*10-2 - математическая константа, V - скорость перемещения лазерного луча по поверхности, мм/сек, С - теплоемкость легирующего сплава, Дж/К, Т - температура плавления легирующего сплава, К, L - толщина слоя легирующего сплава, мм.



 

Похожие патенты:
Изобретение может быть использовано при монтаже, ремонте и эксплуатационном обслуживании электротехнического оборудования ЛЭП, электрических станций, подстанций, контактных сетей и на заводах, выпускающих электротехническое оборудование.
Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости режущего и штампового инструмента за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса инструмента, увеличения производительности и качества обработки.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электротехническом оборудовании. .

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на стальную полосу. .

Изобретение относится к способам получения рабочих слоев на поверхностях полых цилиндрических деталей и может быть использовано для изготовления биметаллических втулок с покрытием одновременно на внутренней и наружной поверхностях или только на наружной поверхности, а также для восстановления таких деталей.

Изобретение относится к способам электронно-лучевой наплавки плоских и цилиндрических поверхностей и может быть использовано как при изготовлении новых, так и при восстановлении поверхности изношенных деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа в сочетании с ударными нагрузками.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при монтаже, ремонте и эксплуатационном обслуживании электротехнического оборудования ЛЭП, электрических станций, подстанций, контактных сетей электрифицированного транспорта, распределительных устройств промышленных предприятий и на заводах, выпускающих электротехническое оборудование.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологии центробежного литья изделий с износостойким внутренним покрытием, и может быть использовано при изготовлении многослойных сосудов, трубопроводов, баллонов, соединительных деталей и других изделий.

Изобретение относится к способам нагрева и оплавления нанесенных на изделия полимерных порошковых покрытий и может быть использовано в любых областях промышленности для окрашивания изделий различной конфигурации.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии. Для повышения твердости и увеличения глубины прокаливаемости осуществляют предварительную обработку путем нагрева изделия выше критической точки стали, из которой изготовлено это изделие, выдержки и последующего охлаждения на воздухе, причем в процессе охлаждения к изделию прикладывают ударно-импульсные колебания с частотой нанесения ударов от 30 до 10000 герц, а затем проводят закалку.

Изобретение относится к области термической обработке отливок из коррозионно-cтойкой стали мартенситного класса, используемых для высокоточных деталей машиностроения и приборостроения.

Изобретение относится к термообработке, такой как, например, высокочастотная закалка металлических деталей. Устройство для индукционной закалки содержит катушки (26) для индукционного нагрева, которые индуктивно нагревают различные части обрабатываемого целевого участка (A) в осевом направлении заготовки (12), причем заготовка (12) и катушка (26) для нагрева совершают относительное движение вдоль окружного направления (R) обрабатываемого целевого участка (A).
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, применяемых для изготовления элементов тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.

Изобретение относится к способу термомеханической обработки для получения толстого листа (1) из исходного материала с повышенной вязкостью, в частности низкотемпературной вязкостью.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения. Для предотвращения брака по механическим свойствам непрерывно отожженной металлической заготовки и обеспечения максимального выхода годного осуществляют управление непрерывной термообработкой металлических заготовок, которое включает неразрушающий непрерывный контроль получаемой в результате термообработки характеристики механических свойств, при этом в качестве контрольной характеристики используют значение удельных энергозатрат, проводят сравнение значений текущих энергозатрат со значениями энергозатрат, полученными из предварительно установленных регрессионных зависимостей механических свойств от удельных энергозатрат, обеспечивающими получение необходимых механических свойств, и регулируют режим термообработки заготовки, обеспечивая попадание величины удельных энергозатрат в интервал допустимых значений.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке лазером при изготовлении и ремонте различных машин и механизмов. Для повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов осуществляют лазерную обработку изделий с использованием лазера импульсного действия при полезной энергии импульса 60-500 Дж, плотности мощности импульса 1,2·1010-4,3·1011 Вт/м2, длине волны 1,064·10-6 м, продолжительности импульса 0,8·10-3 с, диаметре луча 1,2·10-3-2,5·10-3 м и расстоянии от места облучения до упрочняемой поверхности 12-30 мм.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве холоднокатаной ленты из низкоуглеродистых марок стали, применяемой для холодной вырубки.

Изобретение относится к области термомеханической обработки для изготовления стального проката с требуемыми свойствами. Для обеспечения требуемого уровня потребительских свойств металлопроката получают заготовку из стали, содержащей, мас.%: C 0,05-0,18, Si 0,05-0,6, Mn 1,30-2,05, S не более 0,015, P не более 0,020, Cr 0,02-0,35, Ni 0,02-0,45, Cu 0,05-0,30, Ti не более 0,050, Nb 0,010-0,100, V не более 0,120, N не более 0,012, Al не более 0,050, Mo не более 0,45, железо и неизбежные примеси остальное.
Изобретение относится к области металлургии. Для снижения магнитных потерь при повышении уровня магнитной индукции и обеспечения температурной устойчивости величины магнитных потерь в готовой листовой стали к последующему отжигу способ включает выплавку электротехнической стали, непрерывную разливку, горячую прокатку, холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, вторую холодную прокатку с получение листа конечной толщины, обработку лазером, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия, выпрямляющий отжиг, при этом обработку лазером осуществляют с помощью источника непрерывного лазерного луча и источника импульсного лазерного луча, причем импульсный лазерный луч имеет меньший диаметр проекции на поверхность листа, чем непрерывный лазерный луч, и большее значение плотности энергии излучения в проекции на поверхность полосы стали, чем непрерывный лазерный луч, каждый линейный след лазерного воздействия образуют путем синхронизованного перемещения проекций непрерывного и импульсного лазерных лучей по поверхности листа с отставанием импульсного лазерного луча от непрерывного, причем воздействием непрерывного лазерного луча формируют осевую область линейного следа лазерного воздействия с литой структурой и периферийную область со структурой частичной рекристаллизации, а воздействием импульсного лазерного луча образуют в осевой области листа канавку с литой структурой.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Наноразмерные оксиды металлов получают химической реакцией окисления металлоорганического соединения при инициировании процессов энергетическим воздействием, в качестве которого используют импульсный электронный пучок энергией электронов 100÷500 кэВ, длительностью 10÷100 нс и с полным током пучка 1-10 кА.
Наверх