Способ нанесения износостойких покрытий на основе алюминия и оксида иттрия на силумин

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов электровзрывным напылением, в частности к поверхностному упрочнению силумина системой Y2O3-Al, и может быть использовано при нанесении предлагаемым способом покрытий на детали и изделия, подверженные износу. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской алюминиевой оболочки массой 60-150 мг и сердечника в виде порошка оксида иттрия массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности силумина при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,0 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы Y2O3-Al. Полученные покрытия обладают высокой износостойкостью и микротвердостью. 3 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов электровзрывным напылением, в частности к поверхностному упрочнению силумина системой Y2O3-Al и может быть использовано при нанесении предлагаемым способом покрытий на детали и изделия, подверженные износу.

Известен способ электровзрывного напыления композиционных износостойких покрытий системы TiC-Mo на поверхности трения. Данный способ заключается в размещении порошковой навески из карбида титана между двумя слоями молибденовой фольги и осуществление электрического взрыва фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, которая оплавляет поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м2. Напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи происходит с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден (RU №2518037 МПК С24С 4/10, опубл. 10.06.2014).

Недостатком известного способа является высокая шероховатость напыленных покрытий, а также низкая степень гомогенизации структуры, выраженная в неоднородности фазового и элементного состава покрытий. Это ограничивает возможность практического применения изделий с такими покрытиями. После электровзрывного напыления на поверхности покрытий неравномерно распределены многочисленные деформированные закристаллизовавшиеся микрокапли молибдена. Это может стать причиной быстрого износа покрытия (Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е. Электровзрывное напыление электроэрозионностойких покрытий: формирование структуры, фазового состава и свойств электроэрозионностойких покрытий методом электровзрывного напыления. - Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. - 170 c.

Электровзрывное напыление износо- и электроэрозионностойких покрытий / Д.А. Романов, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов. - Новокузнецк: Изд-во ООО «Полиграфист», 2014. - 203 с.).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электровзрывного нанесения металлических покрытий на алюминиевые контактные поверхности, включающий формирование импульсной многофазной плазменной струи продуктов электрического взрыва проводников и воздействие ею на контактную поверхность. Воздействие на контактную поверхность осуществляют в вакууме, при нагреве поверхности до температуры плавления материала, с формированием на ней рельефа покрытия и при пороговом значении удельного потока энергии плазменной струи q, определяемом по соотношению:

где Т - температура плавления металла; χ и λ - средние значения температуро - и теплопроводности металла в интервале температур от комнатной до температуры плавления; τ - время импульса (RU №2422555 МПК С23С 4/12, опубл. 27.06.2011).

Недостатком прототипа является формирование покрытий при пороговом значении удельного потока энергии, когда напыляемая поверхность нагревается до температуры плавления. В этом случае покрытие имеет адгезионную связь с основой. При напылении покрытий с оплавлением поверхности образуется промежуточный слой взаимного смешивания материалов покрытия и основы, в результате чего покрытие имеет более прочную адгезионно-когезионную связь с основой. Кроме того прототип предполагает нанесение покрытий с высокой электропроводностью, например медных покрытий на алюминиевые контактные поверхности. Однако в ряде случаев необходимо формирование покрытий, обладающих другими высокими функциональными свойствами, например износостойкостью.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в получении композиционных покрытий алюминий - оксид иттрия, обладающих высокой микротвердостью и износостойкостью.

Решение проблемы реализуется способом нанесения износостойких покрытий на основе алюминия и оксида иттрия на силумин, включающем электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской алюминиевой оболочки массой 60-150 мг и сердечника в виде порошка оксида иттрия массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности силумина при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,0 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы Y2O3-Al.

Технический результат при использовании заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании поверхностного слоя с высокими микротвердостью и износостойкостью, что позволяет использовать полученные данным способом материалы в деталях, подверженных износу.

Способ поясняется представленной на фиг. 1 структурой поперечного сечения поверхностного слоя электровзрывного композиционного покрытия системы Y2O3-Al, полученной методом сканирующей электронной микроскопии, представленным на фиг. 2 графиком зависимости величины коэффициента трения от расстояния, пройденного контртелом вдоль дорожки трения при испытаниях на износостойкость силумина в литом состоянии и представленным на фиг. 3 графиком - силумин после электровзрывного легирования.

На фиг. 1 указаны области структуры, где 1 - слой покрытия, 2 - область смешивания, 3 - подложка из силумина.

Установлено, что в результате высокоскоростного охлаждения модифицированного слоя, имеющего место при электровзрывном напылении, в поверхностном слое формируется структура ячеистой кристаллизации алюминия. Размер ячеек кристаллизации изменяется в пределах (200-450) нм. По границам ячеек располагаются прослойки второй фазы. Методами микрорентгеноспектрального анализа установлено, что прослойки сформированы атомами кремния и иттрия.

Исследования морфологии и фазового строения поверхности силумина, модифицированного системой Y2O3-Al показали, что в целом модифицированная поверхность является низкопористой с однородным содержанием легирующих элементов. Основными элементами модифицированной поверхности являются алюминий, иттрий и титан. Структура модифицированного слоя содержит наноразмерные элементы.

Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5-5,0 ГВт/м2, установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,5 ГВт/м2 не происходит образование рельефа между покрытием и подложкой из силумина, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а выше 5,0 ГВт/м2 происходит формирование развитого рельефа поверхности напыляемого покрытия. При значении массы алюминиевой фольги менее 60 мг становится невозможным изготовление из нее композиционного электрически взрываемого проводника. При значении массы алюминиевой фольги более 150 мг получаемое на силумине покрытие, обладает большим количеством дефектов. При значении массы сердечника, состоящего из порошка оксида иттрия массой менее 0,5 или более 2,0 массы оболочки, покрытие с композиционной наполненной структурой на поверхностях силумина также обладает дефектной структурой.

Трибологические свойства модифицированного силумина характеризовали коэффициентом износа и коэффициентом трения (прибор TRIBOtester). Коэффициент трения измеряется как инерционный момент, возникающий между исследуемыми материалами. Анализ результатов, показывает, что износостойкость исследуемого материала после электровзрывного напыления увеличилась, по сравнению с износостойкостью исходного силумина, более чем в 28 раз; коэффициент трения снизился более чем в 2 раза (фиг. 2, 3).

Микротвердость измеряли на микротвердомере HVS-1000A. Среднее значение микротвердости покрытий по всем режимам обработки равно 1010 МПа. Исходный силумин имеет значение 530 МПа, следовательно, обработка силумина с помощью электровзрывного напыления увеличивает микротвердость в ≈2 раза, по сравнению с начальным значением.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1.

Обработке подвергали образец из силумина АК10М2Н размером 20×20×10 мм3. Был использован композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки в виде алюминиевой фольги массой 60 мг, и сердечника из порошка оксида иттрия массой 30 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность силумина при поглощаемой плотности мощности 5,0 ГВт/м2 и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы Y2O3-Al.

Полученное покрытие имеет значение микротвердости 1265±68,7 МПа, с толщиной слоя напыления 48,11±17,15 мкм.

Пример 2.

Обработке подвергали образец из силумина АК10М2Н размером 20×20×10 мм3. Был использован композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки в виде алюминиевой фольги массой 150 мг, и сердечника из порошка оксида иттрия массой 300 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность силумина при поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м2 и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы Y2O3-Al.

Полученное покрытие имеет значение микротвердости 1510±88,3 МПа, с толщиной слоя напыления 37,03±10,58 мкм.

Таким образом, электровзрывное легирование силумина эвтектического состава частицами порошка оксида иттрия сопровождается формированием поверхностного слоя, механические (микротвердость) и трибологические (износостойкость и коэффициент трения) свойства которого многократно превышают соответствующие характеристики силумина в литом состоянии. Способ может быть использован в авиа- и автомобилестроении, при получении износостойких покрытий на деталях из силумина, а также в качестве конструкционных материалов, например, поршней двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.

Способ нанесения износостойких покрытий на основе алюминия и оксида иттрия на силумин, включающий электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской алюминиевой оболочки массой 60-150 мг и сердечника в виде порошка оксида иттрия массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности силумина при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,0 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы Y2O3-Al.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу сверхзвуковой лазерной наплавки порошковых материалов и устройству, его реализующему, и может быть использовано при лазерной порошковой наплавке.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания содержит стенку ствола (12) цилиндра, способную удерживать поршень для выполнения поршнем возвратно-поступательного движения.

Изобретение относится к обработке и упрочнению поверхности вольфрамовой пластины, подвергающейся интенсивным тепловым нагрузкам, в частности, в установках термоядерного синтеза, в которых вольфрам используют в качестве материала первой стенки и пластин дивертора.

Изобретение относится к вакуумной установке для получения наноструктурированного покрытия из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали. Вакуумная установка содержит раму с установленной на ней вакуумной камерой.

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

Изобретение относится к способу модификации поверхности титана с получением структурированного пористого слоя, содержащего нано- и микропоры, и может быть использовано в медицинской технике при изготовлении обладающих биологической совместимостью эндопротезов и имплантатов для травматологии, ортопедии, пластической хирургии, зубных имплантатов, для подготовки поверхности титановых имплантатов под нанесение биоактивных покрытий, а также для изготовления носителей катализаторов и композитных материалов, находящих применение в различных областях техники.

Изобретение относится к области газотермических технологий и может быть использовано при нанесении порошковых покрытий методом низкоскоростного газопламенного напыления.

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.

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 теплоизоляционным системам, в частности к термобарьерным покрытиям, и может быть использовано для защиты деталей авиационных и наземных турбин высокого давления.

Изобретение относится к способу модификации поверхности титана с получением структурированного пористого слоя, содержащего нано- и микропоры, и может быть использовано в медицинской технике при изготовлении обладающих биологической совместимостью эндопротезов и имплантатов для травматологии, ортопедии, пластической хирургии, зубных имплантатов, для подготовки поверхности титановых имплантатов под нанесение биоактивных покрытий, а также для изготовления носителей катализаторов и композитных материалов, находящих применение в различных областях техники.

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

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для деталей, работающих одновременно в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, а именно для сопловых лопаток газотурбинных двигателей, испытывающих воздействие высокоскоростных газовых потоков, резкие смены температуры, эрозию и коррозию, и авиационных и космических аппаратов, испытывающих воздействие набегающего потока диссоциированного воздуха в атмосфере со скоростью выше 2000 м/с.

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 керамическим покрытиям и может быть использовано в качестве теплоизоляционных покрытий на лопатках турбин. Двухслойное наружное керамическое покрытие состоит из нижнего керамического покрытия и наружного керамического покрытия, причем нижнее керамическое покрытие имеет пористость по меньшей мере 5%, почти не имеет или не имеет вертикальных трещин, в частности не имеет никаких сквозных вертикальных трещин, при этом наружное керамическое покрытие имеет максимальную толщину, составляющую 40% толщины нижнего керамического покрытия, пронизано вертикальными трещинами и имеет максимальную толщину 500 мкм.

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.

Изобретение относится к области медицинской техники и приборостроения, а именно к технологии формирования наноструктурированных оксидных покрытий системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy на изделиях из технического титана, в том числе имплантируемых внутрикостных конструкциях.

Изобретение относится к области газотермического формирования слоев и покрытий и предназначено преимущественно для изготовления мишеней для магнетронного, электронно-лучевого и ионно-лучевого распыления.

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов электровзрывным напылением, в частности к поверхностному упрочнению силумина системой Y2O3-Al, и может быть использовано при нанесении предлагаемым способом покрытий на детали и изделия, подверженные износу. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской алюминиевой оболочки массой 60-150 мг и сердечника в виде порошка оксида иттрия массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности силумина при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,0 ГВтм2, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы Y2O3-Al. Полученные покрытия обладают высокой износостойкостью и микротвердостью. 3 ил., 2 пр.

Наверх