2
СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Al-TiB НА АЛЮМИНИЕВЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
2
METHOD FOR ELECTROEXPLOSIVE SPUTTERING OF COMPOSITE COATINGS OF Al-TiB SYSTEM ONTO ALUMINIUM SURFACES

2
Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности, к технологии электровзрывного напыления композиционных покрытий системы Al-TiB с применением в качестве взрываемого материала алюминиевой фольги совместно с навеской порошка диборида титана, и может быть использовано в машиностроении для формирования поверхностей с высокой износостойкостью и микротвердостью.
2
Известен способ [1] получения композиционного материала системы Al-TiB, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов из порошков алюминия, титана и бора с последующим реагированием титана и бора в режиме горения в среде аргона с синтезом диборида титана в алюминиевой матрице, охлаждение продукта синтеза, сброс давления образующихся при горении газообразных продуктов, вакуумирование и последующее уплотнение в прессовальной форме.
2
Недостатком способа является его многостадийный характер, что ограничивает его производительность, а также невозможность формирования с его использованием покрытий системы Al-TiB на поверхности изделий. В композиционном материале, полученном этим способом, присутствует пористость. Наличие пористости в готовом композиционном материале в ряде случаев снижает его износостойкость.
Наиболее близким к заявляемому является способ [2] 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 T - температура плавления металла; χ и λ - средние значения температуро- и теплопроводности металла в интервале температур от комнатной до температуры плавления; τ - время импульса.
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. Электровзрывное напыление износостойких покрытий возможно при внесении в плазменную струю порошковых частиц высокотвердых износостойких материалов и переносе их на облучаемую поверхность.
2
Задачей заявляемого изобретения является получение на поверхности алюминия упрочненных высокотвердыми и износостойкими частицами TiBкомпозиционных покрытий, обладающих высокими значениями износостойкости, микротвердости и адгезионно-когезионную связью с основой.
2
2
Поставленная задача реализуется способом электровзрывного напыления композиционных покрытий системы Al-TiB на алюминиевые поверхности. Способ включает размещение порошковой навески из диборида титана между двумя слоями алюминиевой фольги, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею алюминиевой поверхности при значении удельного потока энергии 3,8…4,1 ГВт/м и напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и алюминий.
2
Согласно работе [1] покрытия системы Al-TiB обладают высокой износостойкостью и микротвердостью.
2
Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к структуре, получаемой в прототипе. Такие покрытия характеризуются высокой адгезии с основой на уровне когезии и отсутствием пористости. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании композиционного покрытия Al-TiB, что делает возможным осуществление локального повышения износостойкости поверхности деталей из алюминия в местах их наибольшего разрушения в условиях эксплуатации.
2
Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения покрытия системы Al-TiBна алюминиевые поверхности, на фиг.2 - микрофотография поперечного шлифа покрытия, на фиг.3 - карта распределения элементов в характеристических лучах алюминия для фиг.2, на фиг.4 - карта распределения элементов в характеристических лучах титана для фиг.2.
Плазменный ускоритель состоит из коаксиально-торцевой системы токоподводящих электродов - внутреннего электрода 1, внешнего электрода 2, разделенных изолятором 3, и разрядной камеры 4, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумную технологическую камеру. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 5 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи.
Из продуктов взрыва и порошковой навески с помощью плазменного ускорителя формируется многофазная плазменная струя, которая направляются на алюминиевую поверхность под прямым углом.
2
2
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что после обработки алюминиевой поверхности плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва двухслойной алюминиевой фольги с размещенной в ней порошковой навеской диборида титана в режимах, при которых удельный поток энергии составляет 3,8…4,1 ГВт/м, происходит формирование однородного по объему композиционного покрытия системы Al-TiB, максимальная толщина которого за один импульс обработки достигает 400…410 мкм. Использование двухслойной фольги позволяет коэффициент использования материала порошковой навески при напылении покрытий. Покрытие имеет когезионно-адгезионную связь с материалом контактной поверхности. Несмотря на то, что при напылении поверхность основы оплавляется, вследствие использования в качестве взрываемого проводника алюминиевой фольги на границе покрытия с алюминиевой основой хрупкие интерметаллидные фазы не образуются. При этом как видно из фиг.2 видимая резкая граница между покрытием и основой отсутствует.
2
2
Указанные режимы являются оптимальными, поскольку при электровзрывном напылении алюминия в режиме, когда удельный поток энергии ниже 3,8 ГВт/м, тогда не происходит оплавления поверхности, что приводит к низкой адгезии покрытия и его отслаиванию, а когда выше 4,1 ГВт/м, тогда происходит формирование развитого рельефа поверхности вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва, что ухудшает качество поверхности формируемого покрытия.
Методом рентгеноспектрального микроанализа получены карты распределения элементов алюминия и титана (фиг.3, фиг.4), которые показывают химическую однородность сформированных покрытий. Распределение бора данным способом не выявляется.
2
Ренттеноструктурные исследования показали, что во всех режимах обработки формируются композиционные покрытия, содержащие TiB и Al. Содержание алюминия в покрытии при использованных режимах обработки изменяется пропорционально соотношению масс порошка алюминиевой фольги и диборида титана.
Примеры конкретного осуществления способа
Пример 1
2
Размещали внутри двухслойной фольги из алюминия массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 50 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею алюминиевую контактную поверхность при значении удельного потока энергии 3,8 ГВт/м и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и алюминий.
2
2
На поверхности алюминиевого изделия получили покрытие системы Al-TiB толщиной 60 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в алюминиевой матрице, содержащее 75 об.% Al и 25 об.% TiB, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.
Пример 2
2
Размещали внутри двухслойной фольги из алюминия массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 150 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею алюминиевую контактную поверхность при значении удельного потока энергии 3,9 ГВт/м и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и алюминий.
2
2
На поверхности алюминиевого изделия получили покрытие системы Al-TiB толщиной 150 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в алюминиевой матрице, содержащее 25 об.% Al и 75 об.% TiB, обладающее высокой износостойкостью стойкостью и адгезионной связью с основой.
Пример 3
2
Размещали внутри двухслойной фольги из алюминия массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 100 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею алюминиевую контактную поверхность при значении удельного потока энергии 4,1 ГВт/м и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и алюминий.
2
2
На поверхности алюминиевого изделия получили покрытие системы Al-TiB толщиной 250 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в алюминиевой матрице, содержащее 50 об.% Al и 50 об.% TiB, обладающее высокой износостойкостью стойкостью и адгезионной связью с основой.
Источники информации
2
1. Fabrication of TiB/Al Composites by Combustion Synthesis of Al-Ti-B System / Yong-Jai Kwon, Makoto Kobashi, Takao Choh, Naoyuki Kanetake / Materials Transactions. 2002. Vol.43. No.11. P.2796-2801.
2. Патент РФ №2422555 на изобретение «Способ электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности» / Будовских Е.А., Романов Д.А.; заявл. 14.12.2009; опубл. 27.06.2011. Бюл. №18. 7 с.