Способ получения многослойных композитных покрытий


 


Владельцы патента RU 2605717:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") (RU)

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных износостойких материалов конструкционного назначения и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в промышленности. Способ высокоскоростного газопламенного напыления многослойного композитного покрытия из порошковых материалов на металлическое изделие включает нанесение нижнего слоя покрытия толщиной 20-100 мкм из механически активированного порошка Ni, среднего слоя - толщиной 50-500 мкм из механически активированного порошка с эффектом памяти формы на основе TiNi и верхнего слоя - толщиной 50-500 мкм из механически активированной смеси порошков из В4С, WC, (Cr3C2 или CSi), Со, Ni, С, при их соотношении вес.%: В4С 35-80, WC 7-40, (Cr3C2 или CSi) 7-30, Со 1-5, Ni 4-7, С 1-3. Затем проводят отжиг при температуре 600-800°С в течение 0,5-1 ч. После нанесения среднего слоя из сплава с эффектом памяти формы на основе TiNi осуществляют его поверхностное пластическое деформирование при нагревании в интервале температур мартенситного превращения на величину до 4-10% от толщины слоя. Механическую активацию порошков и высокоскоростное газопламенное напыление производят в защитной атмосфере. Обеспечивается повышение прочностных характеристик и износостойкости композитных покрытий с использованием материалов с эффектом памяти формы. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.

Так, например, известен способ получения композиционных покрытий из порошковых материалов, включающий подготовку обрабатываемой поверхности посредством очистки, промывки и струйно-абразивной обработки, с последующей лазерной наплавкой порошкового материала в среде инертного газа, в качестве порошкового материала используют смесь из частиц титана и карбида кремния с размером - 20-100 мкм в массовом соотношении 6:4 или 6:5, а процесс наплавки осуществляют при мощности лазера 4-5 кВт, скорости сканирования лазерного луча 500-700 мм/мин и расходе порошка 9,6-11,9 г/мин (патент РФ №2542199).

Недостатком данного способа является технологическая сложность процесса, требующего нагрева материала, хрупкость покрытий и изменение структурного состояния основы в результате нагрева.

Известен способ нанесения наноструктурированных износостойких электропроводящих покрытий из разнородных материалов, включающий подачу порошка в сверхзвуковой поток подогретого рабочего газа (например, воздуха) и нанесение его на металлическую поверхность изделия, для исключения межфазных границ, а также обеспечения изменения химического состава наносимого материала покрытия по линейной или логарифмической зависимости подачу порошков производят одновременно из двух или более автономно работающих дозаторов, причем плотность массового расхода порошка из первого дозатора увеличивают от 0,01 до 2 г/см·см2, а плотность массового расхода порошка из второго дозатора соответственно уменьшают также по линейной или логарифмической зависимости от 2 до 0,01 г/см·см2, обеспечивая тем самым изменение химического состава по толщине наносимого покрытия (патент РФ №2362839).

Недостатком данного способа являются низкие прочностные характеристики покрытия, такие как адгезия, предел усталости.

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, наносят нижний слой из нитрида циркония и верхний - из соединения нитрида титана, хрома и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 79,0-85,0, хром 9,0-11,0, ниобий 6,0-10,0, нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют составным из титана и хрома, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и ниобия и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов (патент РФ №2548864).

Недостатком данного способа являются низкая скорость нанесения покрытий, низкие прочностные характеристики покрытия.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения выбран способ высокоскоростного газопламенного напыления многослойного композитного покрытия из порошковых материалов на металлическое изделие (патент РФ №25138533, опубл. 20.04.2014 г.).

Задачей предложенного изобретения является получение многослойных композитных покрытий из порошковых материалов, содержащих связующий слой - слой из материала с эффектом памяти формы - упрочняющий слой.

Техническим результатом является повышение прочностных характеристик и износостойкости композитных покрытий с использованием материалов с эффектом памяти формы.

Технический результат достигается предложенным способом высокоскоростного газопламенного напыления многослойного композитного покрытия из порошковых материалов на металлическое изделие, в котором нижний слой покрытия наносят толщиной 20-100 мкм из механически активированного порошка Ni, средний слой - толщиной 50-500 мкм из механически активированного порошка с эффектом памяти формы на основе TiNi, а верхний слой толщиной 50-500 мкм из механически активированной смеси порошков из В4С, WC, (Cr3C2 или CSi), Со, Ni, С, при их соотношении вес.%: В4С 35-80, WC 7-40, (Cr3C2 или CSi) 7-30, Со 1-5, Ni 4-7, С 1-3, затем проводят отжиг при температуре 600-800°С в течение 0,5-1 часа, при этом после нанесения среднего слоя из сплава с эффектом памяти формы на основе TiNi осуществляют его поверхностное пластическое деформирование при нагревании в интервале температур мартенситного превращения на величину до 4-10% от толщины слоя, а механическую активацию порошков и высокоскоростное газопламенное напыление производят в защитной атмосфере. Механическую активацию порошков и высокоскоростное газопламенное напыление проводят в среде аргона. При этом механическую активацию порошков осуществляют в шаровой мельнице с использованием мелющих тел в виде шаров, состоящих из WC-CrC-Ni. А в механически активированной смеси порошков используют углерод (С) в виде углеродных нанотрубок.

В процессе высокоскоростного газопламенного напыления механически активированных порошков происходит выделение энергии, накопленной в процессе механической активации, что обеспечивает более надежную адгезию с основой и между слоями и повышенные прочностных свойств многослойного композитного покрытия, а высокая скорость напыления обеспечивает формирование наноразмерной структуры. Принятая последовательность нанесения слоев «адгезионный слой - функциональный слой из материала с эффектом памяти формы - функциональный упрочняющий износостойкий слой» обеспечивает повышение прочностных характеристик и износостойкости композита. Наличие промежуточного слоя из материала с эффектом памяти формы, помимо характерных для этих материалов свойств памяти, сверхупругости или сверхэластичности (в зависимости от термообработки), тормозят, а иногда блокируют распространение дефектов типа трещин, возникающих в прочном, но хрупком поверхностном слое и, как следствие, способствует повышению прочности и долговечности. Отжиг проводится для снятия внутренних напряжений после формирования многослойного композитного покрытия. Предложенный способ обеспечивает получение многослойного наноструктурированного композитного покрытия с эффектом памяти формы на стальных образцах с размером зерен 15-120 нм.

На первом этапе проводится механическая активация порошка Ni, порошка на основе TiNi, смеси порошков при следующем содержании компонентов, вес.%: 35-80 карбида бора, 7-40 карбида вольфрама, 7-30 карбида хрома или карбида кремния, 1-5 кобальта, 4-7 никеля, 1-3 углеродных нанотрубок, подвергают перемешиванию и измельчению в шаровой мельнице с использованием мелющих тел (в виде шаров), содержащих WC-CrC-Ni. Механическая активация порошков осуществляется в шаровой мельнице АГО-2У. Загрузка и обработка порошков производится в инертной атмосфере (среда аргона), со следующими параметрами: частота вращения барабана 1200-1500 мин-1, частота вращения водила 900-1000 мин-1, диаметр шаров 6 мм, время работы 15-30 мин.

На втором этапе проводится высокоскоростное газопламенное напыление в защитной атмосфере (среда аргона) механически активированных порошков. В камере при помощи вакуумного насоса создается вакуум, далее этот вакуум заполняется аргоном. Механически активированные порошки Ni, TiNi, B4C-WC-(Cr3C2 или CSi)-Co-Ni-C засыпают в порошковые дозаторы, связанные шлангами подачи порошков к соплу газопламенной горелки. Сопло газопламенной горелки имеет три канала для ввода порошков. Первый канал сопла, связанный с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка Ni, второй канал сопла связан с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка с эффектом памяти формы на основе TiNi, третий канал сопла связан с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка В4С-WC-(Cr3C2 или CSi)-Co-Ni-C. Раздельная подача механически активированных порошков в зону напыления возможна за счет конструкции сопла газопламенной горелки.

Многослойное композитное покрытие получаем следующим образом: сначала на стальной образец производят напыление нижнего слоя на основе механически активированного порошка Ni, имеющего неограниченную растворимость с железом толщиной 20-100 мкм на деталь (изделие), для увеличения адгезии с основой и с последующим слоем; на нижний слой на основе Ni наносят средний слой механически активированного порошка с эффектом памяти формы на основе TiNi толщиной 50-500 мкм, после нанесения среднего слоя осуществляют его поверхностное пластическое деформирование на величину до 8-10% от толщины среднего слоя с помощью пресса, состоящего из верхней и нижней траверс; далее осуществляется нанесение верхнего слоя механически активированного порошка B4C-WC-(Cr3C2 или CSi)-Co-Ni-C толщиной 50-500 мкм. Контроль температуры процесса осуществляют пирометром. Вакуумная камера со смотровым окном, расположена на раме. В процессе поверхностного пластического деформирования осуществляют нагрев среднего слоя при помощи трансформатора, соединенного с нижней траверсой пресса. Весь процесс получения композита осуществляется автоматически при помощи блока управления, к которому при помощи шлангов подсоединены баллоны с газами. Нагрев образца с композитным покрытием для отжига осуществляют с помощью трансформатора.

После получения композита проводят отжиг при температуре 600-800°С в течение 0,5-1 часа.

Пример

На первом этапе проводится механическая активация порошка Ni, порошка на основе TiNi, смеси порошков при следующем содержании компонентов: 50 вес.% карбида бора, 28 вес. % карбида вольфрама, 10 вес. % карбида хрома, 4 вес. % кобальта, 5 вес. % никеля, 3 вес. % углеродных нанотрубок, подвергают перемешиванию и измельчению в шаровой мельнице с использованием мелющих тел (в виде шаров), содержащих WC-CrC-Ni. Механическая активация порошков осуществляется в шаровой мельнице АГО-2У. Загрузка и обработка порошков производится в инертной атмосфере (среда аргона), со следующими параметрами: частота вращения барабана 1200 мин-1, частота вращения водила 1000 мин-1, диаметр шаров 6 мм, время работы 20 мин. На втором этапе проводится высокоскоростное газопламенное напыление в защитной атмосфере (среда аргона) механически активированных порошков. В камере при помощи вакуумного насоса создается вакуум, далее этот вакуум заполняется аргоном. Механически активированные порошки Ni, TiNi, B4C-WC-Cr3C2-Co-Ni-C засыпают в порошковые дозаторы, связанные шлангами подачи порошков к соплу газопламенной горелки. Сопло газопламенной горелки имеет три канала для ввода порошков. Первый канал сопла связан с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка Ni, второй канал сопла связан с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка с эффектом памяти формы на основе TiNi, третий канал сопла связан с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка В4С-WC-Cr3C2-Co-Ni-C. Раздельная подача механически активированных порошков в зону напыления возможна за счет конструкции сопла газопламенной горелки. Многослойное композитное покрытие получаем следующим образом: сначала происходит напыление нижнего слоя на основе механически активированного порошка Ni толщиной 30 мкм на деталь (изделие), для увеличения адгезии последующих слоев; на нижний слой на основе Ni наносят средний слой механически активированного порошка с эффектом памяти формы на основе TiNi толщиной 250 мкм, после нанесения среднего слоя осуществляют его поверхностное пластическое деформирование на величину 5% от толщины среднего слоя с помощью пресса, состоящего из верхней и нижней траверс; далее осуществляют нанесение верхнего слоя механически активированного порошка B4C-WC-Cr3C2-Со-М-С толщиной 150 мкм. Контроль температуры процесса осуществляют пирометром. Вакуумная камера со смотровым окном расположена на раме. В процессе поверхностного пластического деформирования осуществляют нагрев среднего слоя при помощи трансформатора, соединенного с нижней траверсой пресса. Весь процесс получения композита осуществляется автоматически при помощи блока управления, к которому при помощи шлангов подсоединены баллоны с газами. Нагрев образца с композитным покрытием для отжига осуществляют с помощью трансформатора. После получения композита проводят отжиг при температуре 800°С в течение 0,5 часа.

К преимуществам изобретения следует отнести технологическую простоту обработки, отсутствие требования дополнительного нагрева материала в процессе обработки, малую продолжительность цикла обработки, формирование в материале наноструктурного состояния, увеличение реакционной способности компонентов композита в связи с увеличением площади межфазных границ, реализацию деформационного и дисперсного упрочнения материала.

Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, полученное многослойное композитное наноструктурированное покрытие с использованием материала с эффектом памяти формы обладает повышенными механическими свойствами и износостойкостью.

1. Способ высокоскоростного газопламенного напыления многослойного композитного покрытия из порошковых материалов на металлическое изделие, отличающийся тем, что нижний слой покрытия наносят толщиной 20-100 мкм из механически активированного порошка Ni, средний слой - толщиной 50-500 мкм из механически активированного порошка с эффектом памяти формы на основе TiNi, а верхний слой - толщиной 50-500 мкм из механически активированной смеси порошков из В4С, WC, (Cr3C2 или CSi), Со, Ni, С, при их соотношении вес.%: В4С 35-80, WC 7-40, (Cr3C2 или CSi) 7-30, Со 1-5, Ni 4-7, С 1-3, затем проводят отжиг при температуре 600-800°С в течение 0,5-1 часа, при этом после нанесения среднего слоя из сплава с эффектом памяти формы на основе TiNi осуществляют его поверхностное пластическое деформирование при нагревании в интервале температур мартенситного превращения на величину до 4-10% от толщины слоя, а механическую активацию порошков и высокоскоростное газопламенное напыление проводят в защитной атмосфере.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механическую активацию порошков и высокоскоростное газопламенное напыление проводят в среде аргона.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механическую активацию порошков осуществляют в шаровой мельнице с использованием мелющих тел в виде шаров, состоящих из WC-CrC-Ni.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в механически активированной смеси порошков используют углерод (С) в виде углеродных нанотрубок.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.

Изобретение относится к способам получения декоративных покрытий на изделиях из стекла, в частности на стеклокремнезите. Способ получения декоративного покрытия на стеклокремнезите включает измельчение и рассев цветных стекол, подачу стеклопорошка в плазменную горелку и плазменное напыление.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к оправке для использования в прошивном стане для прошивной прокатки заготовки. Оправка содержит тело оправки, содержащее передний концевой участок и задний концевой участок, наплавленный слой, сформированный по меньшей мере на части поверхности переднего концевого участка тела оправки, и напыленное пленочное покрытие, содержащее железо и оксиды железа и покрывающее по меньшей мере поверхность, начинающуюся от заднего конца наплавленного слоя до конца заднего концевого участка тела оправки.

Изобретение относится к получению декоративного покрытия на изделиях из древесины. Поверхность древесины предварительно покрывают первым внутренним слоем из эпоксидной смолы и вторым внутренним слоем из эпоксидной смолы и порошка стекла в соотношении 1:1.

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к изготовлению сменных режущих пластин с износостойким покрытием для металлорежущего инструмента. Способ включает изготовление основы и нанесение на нее износостойкого покрытия.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для модификации поверхностного слоя объемных изделий, например кардиоимплантатов. Установка ионно-плазменной обработки изделий содержит: рабочую камеру с источником ионов; шлюзовую камеру; вакуумный затвор; системы вакуумирования, прогрева и охлаждения рабочей и шлюзовых камер; пневмосистему; системы управления и электропитания, а также систему позиционирования обрабатываемых изделий, включающую механизм перемещения рабочего стола.

Изобретение относится к области ремонта лопаток газовой турбины, снабженной по меньшей мере одной платформой, которая вследствие коррозионного воздействия по меньшей мере на одной боковой поверхности платформы имеет недостаточный размер.

Изобретение относится к плазменной технологии и может быть использовано для получения модифицированных ультрадисперсных порошков в едином технологическом цикле.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для защиты поверхности непрерывнолитых слябов из низколегированной стали перед нагревом их в методической печи под прокатку и последующей прокатки.

Изобретение относится к оправке, используемой в прошивном стане, который прошивает и прокатывает заготовку. Прошивная оправка состоит из корпуса и напыленного на поверхность корпуса покрытия на основе железа и оксида железа, при этом напыленное покрытие имеет следующий состав, мас.%: C 0,015-0,6, Si 0,05-0,5, Mn 0,1-1,0, Cu 0-0,3, железо, оксид железа и примеси - остальное, причем содержании оксида железа в покрытии составляет от 55 до 80 об.%.

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.

Изобретение относится к износостойким покрытиям, которые могут быть использованы в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания. Износостойкое покрытие для поршневых колец содержит, мас.%: Fe от 15 до 25, WC от 10 до 25 , Cr от 30 до 40, Ni от 10 до 25, Mo от 10 до 25, C от 1 до 10 , Si от 0,1 до 2, причем Cr присутствует в покрытии в элементарной форме и в форме карбида Cr2C3, при этом общая доля карбидов составляет от 15 до 50 мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам для защитных покрытий для защиты конструктивного элемента от коррозии и/или окисления. Сплав на основе никеля для защиты конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления при высоких температурах содержит, в вес.%: от более 22 до менее 24 кобальта (Со), от 14 до менее 16 хрома (Cr), 10,5-11,5 алюминия (Al), 0,2-0,4, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий (Sc) и редкоземельные элементы, в частности иттрий (Y), при необходимости от 0,3 до 0,9 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Изобретение относится к способу формирования токоведущей шины на низкоэмиссионной поверхности стекла методом холодного газодинамического напыления с помощью сопла устройства для газодинамического напыления.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при подготовке слябов из низколегированных сталей перед нагревом под прокатку. Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали при прокатке включает напыление алюминиевого газотермического покрытия на широкие грани сляба перед его нагревом в методической печи под прокатку толщиной 0,60±0,02 мм, нагрев его до температуры кипения воды и нанесение поверх него покрытия в виде шамотной суспензии толщиной 1,0±0,02 мм.

Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, а именно к способам нанесения плазменных покрытий на детали, работающие в экстремальных условиях.
Изобретение относится к области судостроения, в частности к способу защиты металлических элементов судовых движителей. Способ включает нанесение на поверхность металлических элементов методом газотермического напыления защитного слоя из алюминия или цинка и сплавов на их основе, крацевание его внешней поверхности и нанесение на защитный слой полимеризирующего пропитывающего состава с последующей его сушкой.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям конструкционных деталей. Сплав на основе никеля для защитного покрытия конструкционной детали, в частности детали газовой турбины, предназначенного для защиты от коррозии и/или окисления детали при высоких температурах, содержит следующие элементы, вес.%: от 22 до менее 24 кобальта, 15-16 хрома, 10,5-12 алюминия, 0,2-0,6, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей скандий (Sc) и/или редкоземельные элементы, кроме иттрия, при необходимости, от 0,3 до 1,5 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Изобретение относится к области получения покрытий со специальными свойствами, в частности к покрытиям с высокой стойкостью к коррозионным повреждениям и износу.

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.
Наверх