Способ плазменного напыления износостойких покрытий толщиной более 2мм

Изобретение относится к способу плазменного напыления износостойких порошковых покрытий на детали различных механизмов, используемых в машиностроении, металлургии, энергетике, авиации, судостроении, оборонной промышленности и других сферах производства. Способ включает предварительную дробеструйную обработку и обезжиривание напыляемой поверхности. Сначала напыляют слой покрытия толщиной не более 0,2 мм при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с и с расположением плазмотрона на исходной заданной дистанции от напыляемой поверхности. Прекращают подачу порошка и уменьшают исходную дистанцию плазмотрона от напыляемой поверхности. После этого проводят нагрев поверхности при низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,7-0,9 г/с до температуры (0,2-0,3)Тпл, где Тпл - температура плавления материала покрытия. Устанавливают плазмотрон на исходной дистанции напыления от напыляемой поверхности и напыляют основной слой покрытия до заданной толщины при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с. Технический результат состоит в формировании износостойкого покрытия толщиной более 2 мм при минимальном уровне остаточных напряжений, которые существенно ниже адгезионной прочности покрытий. 4 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к технологии газотермического напыления, а именно к плазменным способам напыления износостойких порошковых покрытий на детали различных механизмов, используемых в машиностроении, металлургии, энергетике, авиации, судостроении, оборонной промышленности и других сферах производства.

Основным недостатком газотермических способов напыления покрытий, по сравнению с нанесением покрытий наплавкой, является проблема напыления покрытий большой толщины (более 2 мм). Это связано с тем, что пропорционально толщине покрытия в нем растут внутренние механические напряжения и при определенной толщине напыленного слоя, когда напряжения превышают адгезионную прочность, отмечаются случаи самопроизвольного отслоения покрытий.

В монографии А.Ф. Пузрякова («Теоретические основы технологии плазменного напыления». Москва: издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. 356 с.) отмечается, что наибольшая толщина напыленного слоя для металлических покрытий и композиционных покрытий на их основе не должна превышать 2,5 мм, а для керамических покрытий и покрытий из самофлюсующихся сплавов - 1,5 мм. При напылении покрытий больше указанной толщины необходимо применение специальных приемов.

Известен способ газотермического напыления покрытий с последующим за напылением снятием внутренних напряжений (Ульяницкий В.Ю. Физические основы детонационного напыления: диссертация … доктора технических наук: Новосибирск, 2001, 256 с.). Суть метода состоит в нагреве изделия с покрытием до температур возврата структуры материала покрытия и выдержке при этой температуре в течение 3-4 часов. В результате такой термообработки снятие внутренних напряжений достигает 90%.

Таким образом, используя послойное напыление с промежуточным снятием внутренних напряжений, можно напылять покрытия существенно большей толщины, чем при одностадийном процессе.

Основной недостаток такого метода - многостадийность процесса, в результате чего нанесение покрытия большой толщины (более 2 мм) может растянуться на десятки часов.

Известен также специальный прием напыления покрытий (авт. св. SU 1493078, опубл. 07.07.1993 г), заключающийся в том, что напыляемую поверхность в области пятна напыления разогревают сканирующей плазменной дугой дополнительного плазмотрона прямого действия до температуры на 100-300°С выше температуры плавления. Таким образом, частицы напыляемого порошка, разогретые и ускоренные плазменной струей плазмотрона косвенного действия, внедряются в расплавленную поверхность основы, что обеспечивает адгезию покрытия, близкую к наплавке. А при наплавке, как известно, нет особых ограничений по толщине покрытий.

Недостатки такого технологического приема - это те недостатки, которые присущи большинству способов наплавки покрытий, а именно: значительный разогрев основы, перемешивание материала покрытия с материалом основы, термические поводки тонкостенных изделий.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ напыления покрытий из самофлюсующихся сплавов (патент RU №2112815, опубл. 10.06.1998 г.), включающий термическую активацию напыляемой поверхности (нагрев до 60-80°С), напыление тонкого защитного слоя из самофлюсующегося сплава (0,1 мм), отключение подачи порошка при нагреве поверхности плазмой до 600-750°С и дальнейшую подачу порошка при нанесении необходимого слоя покрытия, который, попадая на термически подготовленную поверхность, самооплавляется в процессе формирования с образованием прочной химической связи между подложкой и покрытием. Причем после нанесения защитного слоя нагрев основы производят также и вторым плазмотроном прямого воздействия. Плазменная токонесущая струя непосредственно нагревает поверхность, так как анодом в данном случае является само изделие из железоуглеродистого сплава.

Недостатками такого способа получения покрытий является значительный разогрев основы (выше температуры рекристаллизации), возможность напыления только самофлюсующихся сплавов, так как процесс предусматривает оплавление покрытия, а также значительное усложнение и удорожание технологического процесса, т.к. использование двух плазмотронов (прямого и косвенного действия) означает необходимость одновременной эксплуатации двух независимых плазменных установок.

Задачей изобретения является получение твердых износостойких покрытий толщиной более 2 мм при незначительном нагреве материала основы (ниже температур рекристаллизации).

Технический результат от использования предлагаемого изобретения - формирование износостойкого покрытия толщиной более 2 мм при минимальном уровне остаточных напряжений, которые существенно ниже адгезионной прочности покрытий. При этом процесс напыления происходит без существенного нагрева материала основы (ниже температур рекристаллизации).

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе плазменного напыления износостойких покрытий толщиной более 2 мм, включающем предварительную дробеструйную обработку и обезжиривание напыляемой поверхности, напыление слоя покрытия, нагрев его и последующее напыление основного слоя покрытия до заданной толщины, сначала напыляют слой покрытия толщиной не более 0,2 мм при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с и с расположением плазмотрона на исходной заданной дистанции от напыляемой поверхности, затем прекращают подачу порошка, уменьшают исходную дистанцию плазмотрона от напыляемой поверхности и проводят нагрев поверхности при низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,7-0,9 г/с до температуры (0,2-0,3)Тпл, где Тпл - температура плавления материала покрытия, после чего устанавливают плазмотрон на исходной дистанции напыления от напыляемой поверхности и напыляют основной слой покрытия до заданной толщины при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с.

Напыление слоя покрытия, перед нагревом, необходимо для исключения окисления напыляемой поверхности. Перевод плазмотрона в низкоскоростной ламинарный режим истечения струи плазмы, при нагреве напыляемой поверхности, необходим для увеличения эффективности нагрева, так как к.п.д. нагрева поверхности, в этом случае, может превышать 90% (Кузьмин В.И. Плазмоструйная термообработка газотермических покрытий: диссертация … кандидата технических наук: Новосибирск, 1993 г, 197 с.). Уменьшение дистанции, при нагреве поверхности, также необходимо для увеличения эффективности использования энергии плазменной струи.

Нагрев поверхности покрытия осуществляют до температуры возврата структуры материала покрытия (0,2-0,3)Тпл, где Тпл - температура плавления материала покрытия, при низкоскоростном, ламинарном режиме истечения плазменной струи.

В этом случае минимальный уровень остаточных напряжений, который обеспечивается промежуточным нагревом напыляемой поверхности до температуры возврата материала покрытия, не препятствует напылению покрытий толщиной более 2 мм.

На приведенных фиг. 1-4 представлены фотографии изделий с покрытиями, толщина которых значительно больше 2 мм (покрытия получены плазменным напылением по предлагаемому способу). На фиг. 1 - износостойкое покрытие Ni-Cr-B-Si-С на ролике кантующих клетей металлургического стана (толщина покрытия - 3,5 мм); на фиг. 2 - износостойкие покрытия Ni-Cr-B-Si-C на роликах металлургического стана горячей прокатки слябов (толщина покрытий - 4 мм); на фиг. 3 - износостойкое покрытие Ni-Cr-B-Si-C на стальной трубе диаметром 150 мм (толщина покрытия - 12,5 мм); на фиг. 4 - покрытие ПР-Х18Н9 (нержавеющая сталь) на шейках гребного вала теплохода «Заря» (толщина покрытия - 4,5 мм).

Предлагаемый способ напыления износостойких покрытий толщиной более 2 мм осуществляется следующим образом.

Напыляемые поверхности предварительно подвергают дробеструйной обработке и обезжириванию. Напыление осуществляют плазменным методом электродуговым плазмотроном постоянного тока ПНК-50 при следующих режимах: мощность плазмотрона - 40-54 кВт, плазмообразующий газ - воздух, расход плазмообразующего газа - 2,8-3 г/с, дистанция напыления - 170-200 мм. В качестве исходных материалов для нанесения покрытий используют металлические и композиционные порошки фракцией 20-100 мкм. Напыляемый порошок с помощью транспортирующего газа подают в узел кольцевого ввода плазмотрона для напыления. Напыляемые частицы порошка после ввода в воздушно-плазменную струю нагреваются до температуры плавления, ускоряются и при попадании на напыляемую поверхность образуют покрытие, причем плазмотрон работает при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи. После напыления слоя покрытия толщиной 0,15-0,2 мм отключают подачу порошка, расход плазмообразующего газа уменьшается до 0,7-0,9 г/с (плазмотрон переходит в низкоскоростной ламинарный режим истечения плазменной струи) и уменьшают исходную дистанцию от среза сопла плазмотрона до напыляемой поверхности до 70-80 мм. Далее производят нагрев напыляемой поверхности струей плазмы до температуры возврата структуры материала покрытия (0,2-0,3)Тпл, которая может контролироваться при помощи пирометра. При достижении напыляемой поверхности требуемой температуры снова увеличивают расход плазмообразующего газа до 2,8-3 г/с (высокоскоростной турбулентный режим истечения струи плазмы), устанавливают исходную дистанцию напыления, включают подачу напыляемого порошка и производят напыление основного слоя покрытия до заданной толщины.

Таким образом, использование предлагаемого способа напыления позволяет получать покрытия толщиной более 2 мм с минимальным уровнем остаточных напряжений, которые существенно ниже адгезионной прочности покрытий.

Результаты проведенной работы иллюстрируются ниже приведенными примерами.

Пример 1

Необходимо сформировать плазменные износостойкие покрытия из самофлюсующегося сплава системы Ni-Cr-B-Si-C на роликах кантующих клетей металлургического стана (толщина покрытий - не менее 3,5 мм) - фиг. 1, на роликах металлургического стана горячей прокатки слябов (толщина покрытий - 4 мм) - фиг. 2 и на стальной трубе диаметром 150 мм (толщина покрытия - 12,5 мм) - фиг. 3. Для получения таких покрытий целесообразно использовать порошок самофлюсующегося сплава вышеуказанного состава фракцией 40-100 мкм (твердость HV 450-500). Порошок подают в плазменную струю через узел кольцевого ввода и направляют высокотемпературный гетерогенный поток на напыляемую поверхность, предварительно обезжиренную и подвергнутую дробеструйной обработке. В качестве плазмообразующего газа используют воздух, расход которого составляет 2,8-3 г/с (высокоскоростной турбулентный режим истечения плазменной струи); расход порошка составляет 2-2,3 г/с; мощность плазмотрона поддерживают 40-43 кВт. Дистанция напыления - 170-200 мм. После напыления покрытия толщиной 0,15-0,2 мм отключают подачу порошка, затем уменьшают расход плазмообразующего газа до 0,7-0,9 г/с (низкоскоростной ламинарный режим истечения плазменной струи) и дистанцию от среза сопла плазмотрона до напыляемой поверхности до 70-80 мм и далее производят нагрев струей плазмы напыляемой поверхности до температуры 270-300°С. Мощность плазмотрона поддерживают на уровне 51-54 кВт. При достижении указанной температуры снова увеличивают расход плазмообразующего газа до 2,8-3 г/с (высокоскоростной турбулентный режим истечения плазменной струи), а дистанцию напыления - до 170-200 мм, затем включают подачу порошка и производят напыление покрытий заданной толщины. В результате формируются износостойкие покрытия толщиной от 3,5 до 12,5 мм с минимальным уровнем остаточных напряжений, которые существенно ниже адгезионной прочности покрытий.

Производственные испытания таких покрытий показали их высокие физико-механические характеристики (сколов и отслоений покрытий не наблюдалось). В частности, по информации на 15.09.15 ролики металлургического стана горячей прокатки слябов (ЗСМК, г. Новокузнецк) находились в эксплуатации на протяжении 7 месяцев и продолжали работать. При традиционном упрочнении (наплавка проволокой 30ХГСА) срок службы роликов составляет не более 4 месяцев.

Пример 2

Необходимо сформировать плазменное покрытие из нержавеющей стали, толщиной не менее 4,5 мм, на шейках гребного вала теплохода «Заря» (фиг. 4). Для получения такого покрытия используют порошок из нержавеющего сплава марки ПР-Х18Н9 фракцией 40-100 мкм (твердость HV 170-180). Порошок подают в плазменную струю через узел кольцевого ввода и направляют высокотемпературный гетерогенный поток на шейки гребного вала, предварительно обезжиренные и подвергнутые дробеструйной обработке. В качестве плазмообразующего газа используют воздух, расход которого составляет 2,8-3 г/с (высокоскоростной турбулентный режим истечения плазменной струи), расход порошка составляет 2,3-2,5 г/с, мощность плазмотрона поддерживают 40-43 кВт. Дистанция напыления - 170-200 мм. После напыления покрытия толщиной 0,15-0,2 мм отключают подачу порошка, расход плазмообразующего газа уменьшают до 0,7-0,9 г/с (низкоскоростной ламинарный режим истечения плазменной струи), дистанцию от среза сопла плазмотрона до напыляемой поверхности уменьшают до 70-80 мм и производят нагрев струей плазмы напыляемой поверхности до температуры 350-380°С. Мощность плазмотрона поддерживают на уровне 51-54 кВт. При достижении указанной температуры снова увеличивают расход плазмообразующего газа до 2,8-3 г/с (высокоскоростной турбулентный режим истечения плазменной струи), а дистанцию напыления увеличивают до 170-200 мм, далее включают подачу порошка и производят напыление покрытия заданной толщины (не менее 4,5 мм). В результате формируется покрытие из нержавеющей стали толщиной не менее 4,5 мм с минимальным уровнем остаточных напряжений, которые существенно ниже адгезионной прочности покрытия.

Способ плазменного напыления износостойких покрытий толщиной более 2 мм, включающий предварительную дробеструйную обработку и обезжиривание напыляемой поверхности, напыление слоя покрытия, нагрев его и последующее напыление основного слоя покрытия до заданной толщины, отличающийся тем, что сначала напыляют слой покрытия толщиной не более 0,2 мм при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с и с расположением плазмотрона на исходной заданной дистанции от напыляемой поверхности, затем прекращают подачу порошка, уменьшают исходную дистанцию плазмотрона от напыляемой поверхности и проводят нагрев поверхности при низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,7-0,9 г/с до температуры (0,2-0,3)Тпл, где Тпл - температура плавления материала покрытия, после чего устанавливают плазмотрон на исходной дистанции напыления от напыляемой поверхности и напыляют основной слой покрытия до заданной толщины при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе оксида олова и серебра, которые могут быть использованы в электротехнике.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе оксида кадмия и серебра, которые могут быть использованы в электротехнике.

Изобретение относится к формированию на стальных поверхностях покрытий на основе карбида титана, титана и алюминия, которые могут быть использованы в штамповочном производстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к формированию на стальных поверхностях покрытий на основе диборида титана, титана и алюминия, которые могут быть использованы в штамповочном производстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к формированию на стальных поверхностях покрытий на основе карбида титана и никеля, которые могут быть использованы в штамповочном производстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к формированию на стальных поверхностях покрытий на основе карбида титана, никеля и алюминия, которые могут быть использованы в штамповочном производстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к устройствам для создания высокотемпературных высокоскоростных потоков частиц, которые могут быть использованы, в частности для нанесения порошкового покрытия на изделия любой формы.

Изобретение относится к формированию на стальных поверхностях покрытий на основе карбида титана, никеля и молибдена, которые могут быть использованы в штамповочном производстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к формированию на стальных поверхностях покрытий на основе карбида титана, никеля и молибдена, которые могут быть использованы в штамповочном производстве и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к формированию на стальных поверхностях износостойких покрытий, которые могут быть использованы в штамповочном производстве. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской алюминиевой оболочки массой 60-530 мг и сердечника в виде смеси порошка карбида титана массой равной 0,5-2,0 массы оболочки и порошка Cr3С2 массой равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности штамповой стали при поглощаемой плотности мощности 4,6-4,8 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы TiC-Cr3С2-Al и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30.

Компонент газовой турбины, имеющий теплоизолирующую внешнюю поверхность для воздействия газообразных продуктов сгорания, содержит металлическую подложку, крепящий слой на поверхности подложки, теплозащитное покрытие, структуру выступающих элементов и структуру элементов в виде канавок.

Изобретение относится к способу создания прозрачных проводящих композитных нанопокрытий (варианты). По первому варианту предварительно осуществляют химическое осаждение на нагретую подложку тонкой пленки углеродных нанотрубок.

Изобретение относится к металлическому материалу, используемому в конструкции топливного элемента, электропроводящему компоненту топливного элемента из упомянутого металлического материала, сепаратору топливного элемента, содержащему указанный металлический материал, и электроду топливного элемента, содержащему упомянутый материал.

Изобретение относится к микрокристаллическому алмазному покрытию, предназначенному для трибологических областей применения в сфере микромеханики, а также в оптике.

Группа изобретений относится к способу структурного связывания адгезивов с алюминиевыми компонентами без использования адгезивных связующих грунтовок и устройству, включающему указанные структурные связи.
Изобретение относится к получению антикоррозионного покрытия на металлическом изделии. Способ включает выполнение отверстий в изделии для его навешивания на траверсу, удаление с изделия мешающих цинкованию частиц, предварительную обработку поверхности изделия посредством обезжиривания, очищения, промывки, протравливания и флюсования, сушку и навешивание изделия на траверсу, погружение изделия в ванну с расплавленным цинком, извлечение изделия и его охлаждение до температуры окружающей среды.

Изобретение относится к способу осаждения пленки на подложку. Проводят нанесение первого осадительного раствора, содержащего первый осаждаемый материал, на подложку с образованием первого монослоя упомянутого первого осаждаемого материала, нанесение промывочного раствора на первый монослой на время trinse с образованием промывочного слоя для удаления избыточного первого осаждаемого материала, при этом trinse≤10 секунд.

Изобретение относится к металлическим покрытиям, в частности к нанесению поверхностного покрытия на композитное изделие. Способ формирования поверхностного покрытия (256) на композитном изделии (150) включает нанесение термического напыления (206, 236) на поверхность (302) инструмента (300) с обеспечением формирования поверхностного покрытия (256), имеющего раскрепляемую связь (226) с поверхностью (302) инструмента и имеющего суммарное остаточное напряжение (250), которое, по существу, эквивалентно по величине прочности (224) сцепления покрытия с инструментом.

Изобретение относится к высокопрочной детали автомобиля с коррозионно-стойким покрытием и способу ее изготовления. Указанная деталь содержит формованный стальной лист, имеющий на своей поверхности слой интерметаллического соединения Al-Fe с толщиной не менее 10 мкм и не более 50 мкм, слой поверхностного покрытия, расположенный на поверхности упомянутого слоя интерметаллического соединения Al-Fe, включающий покрытие, содержащее ZnO, и покрытие из фосфата цинка, и имеющий шероховатость поверхности, составляющую не менее 3 мкм и не более 20 мкм, в качестве значения максимальной высоты профиля Rt в соответствии с японским промышленным стандартом JIS B0601 (2001), и пленку гальваноосажденной краски, расположенную на поверхности упомянутого слоя поверхностного покрытия и имеющую толщину не менее 6 мкм и не более 15 мкм.

Изобретение относится к покрытой высокотемпературной конструкционной детали с кобальтовым покрытием. Высокотемпературная конструкционная деталь содержит металлическую подложку (4, 4') из жаростойкого сплава, причем жаростойкий сплав представляет собой сплав на основе никеля или кобальта и имеет первое содержание углерода.

Изобретение относится к области идентификации материальных ресурсов и может быть использовано для маркировки электропроводящих деталей, а именно продукции проката, деталей транспортных средств, продукции машиностроения, авиастроения, атомной промышленности и изделий оборонной отрасли.

Изобретение относится к способу плазменного напыления износостойких порошковых покрытий на детали различных механизмов, используемых в машиностроении, металлургии, энергетике, авиации, судостроении, оборонной промышленности и других сферах производства. Способ включает предварительную дробеструйную обработку и обезжиривание напыляемой поверхности. Сначала напыляют слой покрытия толщиной не более 0,2 мм при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 гс и с расположением плазмотрона на исходной заданной дистанции от напыляемой поверхности. Прекращают подачу порошка и уменьшают исходную дистанцию плазмотрона от напыляемой поверхности. После этого проводят нагрев поверхности при низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,7-0,9 гс до температуры Тпл, где Тпл - температура плавления материала покрытия. Устанавливают плазмотрон на исходной дистанции напыления от напыляемой поверхности и напыляют основной слой покрытия до заданной толщины при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 гс. Технический результат состоит в формировании износостойкого покрытия толщиной более 2 мм при минимальном уровне остаточных напряжений, которые существенно ниже адгезионной прочности покрытий. 4 ил., 2 пр.

Наверх