СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ
PRODUCTION METHOD OF WEAR RESISTANT COMPOSITE NANO-STRUCTURED COATING

Изобретение относится к области получения композиционных наноструктурированных покрытий, в частности к покрытиям, обеспечивающим высокую твердость и износостойкость поверхности деталей и узлов пар трения, работающих в особо жестких условиях эксплуатации. Как известно, наиболее долговечными являются металлические и металлокерамические покрытия, которые позволяют обеспечить особо высокие механические и специальные защитные свойства изделий.
Изобретение заключается в получении композиционных покрытий методом холодного газодинамического напыления (ХГДН) агломерата пластичного металлического порошка, армированного неметаллическими частицами.
В известных способах газотермического напыления порошковых материалов на подложку для получения высокой адгезии используются высокотемпературные двухфазные потоки (например: плазма, энергия взрыва, тепловая энергия сгорания газов, электромагнитный луч). Свойства при этом определяются физико-химическими процессами, происходящими при взаимодействии с подложкой расплавленных или близких к этому состоянию частиц напыляемого материала.
При методе газотермического нанесения металлических покрытий с температурой гетерофазного потока более 3000°С имеют место ряд специфических эффектов, которые ограничивают возможности его применения. Это прежде всего образование оксидов, нитридов, карбидов, структурные изменения, возникновение высоких термомеханических напряжений вследствие разности коэффициентов термического расширения подложки и наносимого покрытия, эти явления значительно снижают качество покрытия и прочность адгезии наносимого материала к подложке и когезию нанесенного слоя.
Особые сложности возникают при нанесении неравновесных, химически активных материалов. При температуре (0,4-0,6) от температуры плавления металла или сплава происходит деградация исходной структуры, возникновение хрупких фаз, образование сложных окислов. Это приводит к заметному снижению технологических и эксплуатационных свойств покрытия и изделия в целом. Поэтому в последнее время идут интенсивные поиски низкотемпературных методов формирования высокофункциональных покрытий, не имеющих указанных недостатков.
Одним из таких методов является метод высокоскоростного холодного газодинамического напыления (ХГДН).
Суть метода состоит в нанесении на обрабатываемую поверхность порошков металлов или их смесей, транспортируемых с помощью сверхзвуковых потоков газов. По известным технологиям порошковый материал, представляющий собой мелкодисперсные частицы размером от 1 до 120 мкм, ускоряется в сверхзвуковом сопле потоком сжатого газа до скоростей, превышающих скорость звука, и направляется на покрываемую поверхность. При этом температура наносимого материала, как правило, не превышает 100°С. За счет изменения массового расхода наносимого порошка и введения пластификатора добиваются регулирования химического состава по толщине. Метод холодного газодинамического напыления позволяет производить напыление пленок и покрытий с толщиной от 1 мкм до нескольких миллиметров.
Известно несколько модификаций метода ХГДН и способов нанесения композиционных материалов для получения покрытий с высокой износостойкостью. Также известны методики изготовления самих композиционных порошков. Недостатком известных изобретений, в частности прототипа, является удаление армирующего компонента из покрытия в процессе напыления, что отражается в недостаточно высокой износостойкости по сравнению с предложенной методикой. Сложности возникают также при предварительной обработке поверхности изделия и доведении его поверхности до ювенильного состояния. Оптимальным является совмещение процессов создания ювенильной поверхности изделия и напыления покрытия. Кроме того, в известных аналогах изготовление агломерированных порошков представляет собой трудоемкий и длительный процесс, связанный с термической обработкой в барабанных печах в атмосфере газов, вакуума в течение нескольких часов.
Рассмотренные в данном изобретении процессы связаны с новыми составами и методами, основанными на холодном напылении и использующимися для приготовления износостойких и коррозионно-стойких покрытий системы металл-неметалл и металл-квазикристалл. Изобретение включает в себя создание новых композитов, состоящих из мелкодисперсного металлического порошка и армирующего неметаллического компонента, сцепленных друг с другом, которые могут использоваться в усовершенствованном процессе холодного напыления для осаждения покрытия на подложку.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является методика, описанная в прототипе №US 2006/0090593, опубликован 04.05.2006, где представлен способ формирования тонких металлических покрытий методом холодного напыления и методика изготовления исходного композиционного порошка:
1. Способ заключается в получении тонких металлических покрытий толщиной от 1 до 10 мкм из агломератов твердых сфер.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что композиты представляют собой агломерированные металлическими частицами жесткие сферы.
Жесткие сферы могут быть из стекла, оксидов и нитридов металлов, а также стальной стружки.
Металлические частицы могут быть из алюминия, меди, никеля, цинка, кобальта, железа, титана, серебра, золота, хрома, вольфрама, их сплавов, а также интерметаллидов Ti-Al, Fe-Ag и Ni-Al.
Твердость жестких сфер должна быть выше 4 единиц по шкале Моса.
Средний размер жестких сфер преимущественно в 100-1000 раз больше размера частиц металлического порошка.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что агломерированный композит получают методом смешивания металлического порошка и жестких сфер в барабанной печи при повышенных температурах до 150°С в атмосфере инертного газа при выдержках до 2 часов.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении покрытия из полученного агломерата жесткие сферы отскакивают от поверхности подложки, таким образом образуется тонкое металлическое износостойкое покрытие.
Недостатки прототипа заключаются в том, что:
1. Не обеспечивается высокая твердость, т.к. в самом покрытии практически отсутствует упрочняющий компонент (жесткие сферы), т.е. происходит удаление армирующего компонента из покрытия в процессе напыления.
2. Не обеспечивается предварительная очистка подложки от окислов и других неметаллических включений, что приводит к снижению адгезии и когезии покрытия.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание эффективного способа изготовления агломерированных композиционных порошков и нанесения износостойких, наноструктурированных покрытий, обеспечивающих более высокую износостойкость и низкую пористость, а также адгезию с подложкой и когезию покрытия.
Технический результат достигается за счет разработки технологии дезинтеграторно-активаторной обработки и способа нанесения покрытий методом ХГДН. Согласно изобретению технологический процесс состоит из следующих стадий:
1. Металлический порошок, который может состоять из одного или нескольких металлов из группы: алюминия, цинка, меди, никеля, титана, кобальта, железа, серебра, металлов платиновой группы, редкоземельных металлов, а также сплавов на их основе, имеющие фракционный состав 10-50 мкм и частицы армирующего порошка, состоящие из оксидов, нитридов, карбидов или их комбинаций с фракционным составом преимущественно от 0,08 до 5 мкм, помещается в дезинтеграторную установку типа ДЕЗИ-11, где происходит обработка при ускорениях соударения не менее 250 g. Обработка происходит при комнатной температуре в воздушной атмосфере в течение несколько секунд. Результатом дезинтеграторной обработки является внедрение твердых неметаллических частиц в пластичную металлическую сферу на глубину не менее ¼ максимального размера неметаллической частицы. Таким образом, агломерированные частицы становятся единой механической системой, способной без разрушения (отделения мелкой неметаллической компоненты от металлической сферы), во-первых, переноситься сверхзвуковым гетерофазным потоком и, во-вторых, образовывать гомогенное по структуре и составу композиционное покрытие системы металл - неметалл с заданным уровнем свойств.
2. Нанесение покрытия с использованием полученного агломерированного композиционного порошка осуществляется на установке «ДИМЕТ-403» и происходит в три последовательные стадии:
2
3
- На первой стадии предварительно вводят в сверхзвуковой поток подогретого газа армирующие неметаллические ультрадисперспые частицы, например АlO, фракцией от 0,1 до 1,0 мкм, и проводят обработку поверхности напыляемого изделия до образования ювенильной поверхности, скорость гетерофазного потока при этом составляет 300-400 м/с.
- На второй стадии на ювенильную поверхность напыляемого изделия наносят порошковую композицию из дозатора 1 для получения промежуточного слоя, обеспечивающего высокую адгезию покрытия к подложке, скорость гетерофазного потока 400-650 м/с. Толщина промежуточного слоя составляет 1/3 от толщины покрытия.
- На третьей стадии на подслой производят нанесение 2/3 планируемой толщины покрытия из дозатора 2, в котором находится агломерированный порошок, скорость при этом составляет 400-650 м/с.
Удельная поверхность металлического порошка и армирующих частиц может учитываться в разработке формулы для агломератов. Однако обычно более эффективным является эмпирическое определение отношения количества металлического порошка к количеству армирующих частиц. В основном, слишком маленькое количество армирующего компонента приводит к потере эффективности напыляемого покрытия, а слишком большое количество армирующего компонента в композите приводит к удалению его с поверхности в процессе напыления. В рамках данного изобретения производилось варьирование количества армирующего компонента от 5 до 90%.
Фракционный состав основной металлической составляющей композита обусловлен ограничениями метода холодного газодинамического напыления по размеру напыляемого порошка. Показано, что частицы порошка меньше 5 мкм в диаметре уносятся с поверхности подложки благодаря ударному слою, что вероятнее всего объясняется недостаточной массой, и таким образом, импульса для проталкивания частиц через ударный слой не хватает. При разработке предлагаемого способа с использованием лазерного доплеровского измерителя скорости на основе сферического интерферометра Фабри-Перро установлено, что при скоростях 600 м/с и более наблюдается существенное увеличение турбулентности потока. При этом возрастает энергия встречи дисперсных частиц с преградой, а соответственно и повышается адгезионная и когезионная прочность покрытия, а также возрастает коэффициент использования порошка. Однако этот эффект снижается при использовании порошка крупной фракции свыше 50 мкм. Экспериментально установлено, что наиболее подходящая фракция для данного технологического процесса составляет 5-50 мкм.
Оперативный контроль фракционного состава порошков проводился с использованием классификатора типа «ИГ-6У», анализатора ситового типа «А-20» и лазерного анализатора частиц типа «ЛАСКА-1К».
Испытания на адгезионную и когезионную прочность проводились клеевым методом, который является наиболее простым при количественной оценке прочности покрытия. Для проведения измерения прочность клея должна превышать или быть сравнимой с прочностью сцепления покрытия к подложке.
Покрытия, получаемые при помощи данного метода, имеют высокую износостойкость. Твердость покрытия выше, чем у обычных материалов без покрытия и выше, чем у материалов с металлическими покрытиями, полученными классическим методом холодного напыления.
2
3
В качестве металлического порошка-основы использовался порошок системы АСД-1, размер фракции 50 мкм. В качестве армирующего компонента использовался порошок АlO дисперсностью 0,5-1 мкм.
2
3
Количество армирующего компонента по отношению к основному металлу - от 5 до 90% АlО.
Дезинтеграторная обработка проводилась в течение двух минут.
В качестве носителя (подложки) использовался сплав алюминия типа АМГ.
2
3
Напыление производилось в три этапа, на первом этапе включается дозатор 1, в который помещается порошок АlО фракцией 0,5-1 мкм. Производится обработка поверхности до ювенильного состояния, дозатор 1 отключается. На втором этапе включается дозатор 2, в который насыпается порошок АСД-1, происходит напыление промежуточного слоя, обеспечивающего снижение влияния термического расширения, после чего дозатор 2 отключают. На третьей стадии порошок из дозатора 1 заменяют на композиционный агломерированный порошок и производят напыление слоя с толщиной, которая составляет 2/3 толщины промежуточного слоя.
Предлагаемый способ опробован на специализированном участке ЦНИИ КМ "Прометей".
Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа нанесения наноструктурированного композиционного износостойкого покрытия по сравнению с прототипом выразится в увеличении надежности работы узлов за счет увеличения износостойкости, сплошности, а также повышения когезии и адгезии покрытия с поверхностью.