Способ получения функционального покрытия на основе алюминий-углеродных нановолокон
METHOD OF PRODUCING FUNCTIONAL COATING BASED ON ALUMINUM-CARBON NANOFIBRES

Изобретение относится к способу получения функционального покрытия из сплава алюминия и углеродного нановолокна и может быть использовано в авиационной, космической, судостроительной и других областях промышленности.
Разработка новых способов получения с существенно улучшенным комплексом свойств обусловлена необходимостью защиты инновационных изделий при ужесточении условий их эксплуатации.
2
3
Известны способы нанесения защитных покрытий с высокой износостойкостью на основе порошка системы Ti-Ni-Al (патент РФ №2039125, №2055936). Недостатком этих способов является то, что покрытие, полученное при плазменном напылении, обладает пористостью до 10% и имеет сложный фазовый состав. В покрытии присутствуют сплавы титан-никель, окись титана (ТiO) и сложные окислы (NiTiO). Покрытие из порошка Ti-Ni используется, в основном, в качестве износостойкого покрытия, работающего в условиях износа без ударных нагрузок. Кроме того, покрытие обладает низкой теплостойкостью и при нагреве выше 350°С происходит его интенсивное окисление.
Известен также способ получения композиционных порошковых материалов, содержащих частицы хрома в матрице из железа, включающий механическое смешивание порошков железа и хрома и создание на основе полученной смеси износостойкого газотермического покрытия (патент РФ №2262554).
Недостатком такого способа является то, что при прямом смешивании исходных компонентов частицы имеют склонность к сегрегации агломератов в процессе напыления. Это приводит к неоднородности структуры, а следовательно, низкой когезионной и адгезионной стойкости покрытия. Кроме того, износостойкость такого покрытия не превышает 4 мг/ч, что недостаточно для инновационных конкурентноспособных изделий.
Известен также способ получения порошкового материала для нанесения износостойкого газотермического покрытия (патент RU 2475463). Этот способ выбран в качестве прототипа.
2
В прототипе указано, что изобретение относится к модифицированию поверхности неорганического волокна для создания прочной связи между компонентами композиционного материала путем формирования высокоразвитой поверхности неорганического волокна, используемого в качестве наполнителя, посредством формирования на волокнах углеродных наноструктур (УНС) и находит применение в производстве высокопрочных и износостойких волокнистых композиционных материалов. Способ модифицирования поверхности неорганического волокна включает следующие стадии: (а) пропитку неорганического волокна раствором α фракции пека в органических растворителях; (б) последующую сушку пропитанного волокна; (в) термообработку пропитанного неорганического волокна при 300-600°С; (г) нанесение на поверхность термообработанного в соответствии со стадией (в) волокна соли переходного металла; (д) восстановление соли переходного металла с получением наночастиц переходного металла; (е) осаждение углерода на наночастицы переходного металла с получением углеродных наноструктур на поверхности волокна. Композиционный материал содержит модифицированное волокно, изготовленное вышеизложенным способом, и матрицу из полимера или углерода.
В прототипе технический результат изобретения: повышение прочности композиционного материала в поперечном направлении относительно плоскости армирования за счет предотвращения разрушения поверхности волокон при модификации углеродными наноструктурами.
Недостатком способа является то, что изготовление волокнисто-порошковой смеси достаточно трудоемко и энергозатратно.
Общим недостатком известных технических решений является ограниченный диапазон применения, особенно в условиях интенсивного динамического износа при повышенных температурах и воздействии агрессивных химических реагентов, а так же недостаточная прочность сцепления покрытий с их основой, необходимость в дополнительной термической обработки покрытий (закалке), требующей значительных энергетических затрат, дороговизна метода.
Задачей изобретения является повышение прочности, твердости и износостойкости композиционного материала, а также упрочнение функционального покрытия с помощью добавки нановолокон в алюминиевую матрицу.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение функционального покрытия, отличающегося более высокой твердостью (более 1,9 ГПа), имеющего низкий коэффициент трения (до 0,4), высокую устойчивость к разрушению во время эксплуатации при одновременном сохранении низкого износа, необходимой прочности и ударной вязкости.
2
3
Технический результат достигается за счет того, что при изготовлении функционального покрытия из 5 слоев: проводят отработку изделия до образования ювенильной поверхности порошком АlO; наносят послойно методом «холодного» газодинамического напыления порошковую композицию, для нанесения первого слоя (износостойкого) используют композиционный порошковый материал содержащий С и Al; для нанесения второго слоя (связующего) используют алюминиевый порошок ПА-4; для нанесения третьего слоя (упрочняющего) используют композиционный порошковый материал содержащий С и Аl; для нанесения четвертого слоя (связующего) используют алюминиевый порошок ПА-4; для нанесения пятого слоя (износостойкого) используют композиционный порошковый материал содержащий С и Аl.
Получение композиционного порошкового материала осуществляется способом внедрения в поверхность алюминия углеродных нановолокон при армировании композиционных материалов, включающим следующие стадии:
3
2
(а) нанесение на поверхность порошка алюминия никелевого раствора (Ni(NO);
(б) последующую сушку пропитанного порошка в среде аргона;
(в) термообработку пропитанного органического нановолокна при 100-400°С;
(г) восстановление до чистого никеля;
(д) осаждение углерода (синтез) на наночастицы переходного металла с получением углеродных наноструктур на поверхности порошка при температуре синтеза 500-550°С.
Напыление полученного композиционного материала на объемные материалы осуществляется методом «холодного» газодинамического напыления (ХГДН) на изделие с ювенильной поверхностью.
Функциональное покрытие изготавливают с использованием метода холодного газодинамического напыления (ХГДН) на основе порошка алюминия марки ПА-4 (ГОСТ 6058) и углеродных нановолокон. Функциональное покрытие с заранее заданными параметрами пористости и шероховатости наносится послойно, для его нанесения осуществляют подачу порошка из двух дозаторов в сверхзвуковой поток подогретого газа с образованием гетерофазного потока и нанесение порошковой композиции на поверхность изделия.
2
3
Из первого дозатора вводят армирующие ультрадисперсные частицы АlO фракцией от 0,1 до 1,0 мкм и проводят обработку поверхности изделия до образования ювенильной поверхности.
Затем на поверхность изделия наносят порошковую композицию на основе алюминия с заранее выбранным соотношением компонентов путем подачи порошка из второго дозатора. Для нанесения первого слоя (износостойкого) используют композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,2 мкм. Для нанесения второго слоя (связующего) использовался алюминиевый порошок ПА-4. Для нанесения третьего слоя (упрочняющего) используют композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,062 мкм. Для нанесения четвертого слоя (связующего) используют алюминиевый порошок ПА-4. Для нанесения пятого слоя (износостойкого) используют композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,032 мкм.
Содержание углерода в композиционном порошковом материале может варьироваться от 0,4 масс. % до 1,6 масс. %. При увеличении содержания углерода в композиционном порошковом материале более 1,6% масс. %, ухудшаются свойства композиционного материала, а именно, низкая твердость при достаточно высоком модуле упругости, делает полученное покрытие непригодным для эксплуатации. При уменьшении содержания углерода в композиционном материале менее 0,4 масс. % увеличивается интенсивность изнашивания, увеличивается коэффициент трения покрытия и твердость покрытия, следовательно, уменьшается срок службы покрытия. Оптимальное содержание углерода в первом слое составляет (0,4-0,6)масс. %, в третьем слое составляет (0,5-1)масс. %, в пятом слое составляет (0,6-1,6)масс. %.
ПРИМЕР 1
2
3
Для реализации предлагаемого технического решения провели обработку изделия до образования ювенильной поверхности порошком AlO и подготовку порошков.
Для реализации предлагаемого технического решения был предварительно подготовлен порошок для нанесения износостойкого покрытия с помощью метода ХГДН: порошок на основе сплава Аl-С. Порошки были взяты в следующих пропорциях (таблица 1). Полученный порошковый материал после предварительного синтеза механолегировали в планетарной мельнице.
Подготовка порошков осуществлялась следующим образом:
1) сушка порошков-компонентов при Т=150-200°С 1,5-2 часа в печи;
2
3
2) просев порошка на основе сплава Аl-С проводили через сито 0,2 мкм, 0,032 мкм и 0,062 мкм; порошок марки ПА-4 просеивали через сито фракцией 0,2 мкм, 0,032 мкм и 0,062 мкм; порошок АlO с фракционным составом 0,032 мкм.
3) смешивание порошков в вышеуказанных пропорциях в планетарной мельнице. С помощью размольных шаров и частично трением между шарами и стенкой размольного стакана проводится измельчение композиционного материала при 400 об/мин в течении 20 минут, охлаждением 10-15 мин и двумя повторными опытами.
Нанесение покрытий осуществлялось на установке холодного газодинамического напыления ДИМЕТ-403.
Для нанесения первого слоя (износостойкого) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,2 мкм, в котором содержание углерода составляет 0,4 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное. Для нанесения второго слоя (связующего) использовался алюминиевый порошок ПА-4. Для нанесения третьего слоя (упрочняющего) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,062 мкм, в котором содержание углерода составляет 0,5 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное. Для нанесения четвертого слоя (связующего) использовался алюминиевый порошок ПА-4. Для нанесения пятого слоя (износостойкого) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,032 мкм, в котором содержание углерода составляет 0,6 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное.
Результаты сравнительных исследований приведены в таблице 2. Результаты показывают: наилучшими характеристиками обладает покрытие, полученное из механической смеси, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Полученный композиционный порошок использовался в качестве композиционного порошка для нанесения покрытий на металлическую подложку марки Ст3 методом ХГДН. Толщина полученного покрытия составляла 584 мкм.
ПРИМЕР 2
2
3
Для реализации предлагаемого технического решения провели обработку изделия до образования ювенильной поверхности порошком АlО и подготовку порошков.
Был предварительно подготовлен порошок для нанесения износостойкого покрытия с помощью метода ХГДН: порошок на основе сплава Аl-С. Порошки были взяты в следующих пропорциях (таблица 3). Полученный порошковый материал после предварительного синтеза механолегировали в планетарной мельнице.
Подготовка порошков осуществлялась следующим образом:
1) сушка порошков-компонентов при Т=150-200°С 1,5-2 часа в печи;
2
3
2) просев порошка на основе сплава Аl-С проводили через сито 0,2 мкм, 0,032 мкм и 0,062 мкм; порошок марки ПА-4 просеивали через сито фракцией 0,2 мкм, 0,032 мкм и 0,062 мкм; порошок AlO с фракционным составом 0,032 мкм.
3) смешивание порошков в вышеуказанных пропорциях в планетарной мельнице. С помощью размольных шаров и частично трением между шарами и стенкой размольного стакана проводится измельчение композиционного материала при 400 об/мин в течении 20 минут, охлаждением 10-15 мин и двумя повторными опытами.
Нанесение покрытий осуществлялось послойно на установке холодного газодинамического напыления ДИМЕТ-403.
Для нанесения первого слоя (износостойкого) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,2 мкм, в котором содержание углерода составляет 0,4 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное. Для нанесения второго слоя (связующего) использовался алюминиевый порошок ПА-4. Для нанесения третьего слоя (упрочняющего) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,062 мкм, в котором содержание углерода составляет 0,9 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное. Для нанесения четвертого слоя (связующего) использовался алюминиевый порошок ПА-4. Для нанесения пятого слоя (износостойкого) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,032 мкм, в котором содержание углерода составляет 1,4 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное.
Полученное покрытие представляет собой многослойную структуру.
Результаты сравнительных исследований приведены в таблице 4. Результаты показывают: наилучшими характеристиками обладает покрытие, полученное из механической смеси, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Полученный композиционный порошок использовался в качестве композиционного порошка для нанесения покрытий на металлическую подложку марки Ст3 методом ХГДН. Толщина полученного покрытия составляла 542 мкм, пористость 1,1%.
ПРИМЕР 3
2
3
Для реализации предлагаемого технического решения провели обработку изделия до образования ювенильной поверхности порошком AlO и подготовку порошков.
Был предварительно подготовлен порошок для нанесения износостойкого покрытия с помощью метода ХГДН: порошок на основе сплава Аl-С. Порошки были взяты в следующих пропорциях (таблица 5). Полученный порошковый материал после предварительного синтеза механолегировали в планетарной мельнице.
Подготовка порошков осуществлялась следующим образом:
1) сушка порошков-компонентов при Т=150-200°С 1,5-2 часа в печи;
2
3
2) просев порошка на основе сплава Al-С проводили через сито 0,2 мкм, 0,032 мкм и 0,062 мкм; порошок марки ПА-4 просеивали через сито фракцией 0,2 мкм, 0,032 мкм и 0,062 мкм; порошок АlO с фракционным составом 0,032 мкм.
3) смешивание порошков в вышеуказанных пропорциях в планетарной мельнице. С помощью размольных шаров и частично трением между шарами и стенкой размольного стакана проводится измельчение композиционного материала при 400 об/мин в течении 20 минут, охлаждением 10-15 мин и двумя повторными опытами.
Нанесение покрытий осуществлялось на установке холодного газодинамического напыления ДИМЕТ-403.
Для нанесения первого слоя (износостойкого) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,2 мкм, в котором содержание углерода составляет 0,6 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное. Для нанесения второго слоя (связующего) использовался алюминиевый порошок
ПА-4. Для нанесения третьего слоя (упрочняющего) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,062 мкм, в котором содержание углерода составляет 1,1 мас.%, Аl и неизбежные примеси остальное. Для нанесения четвертого слоя (связующего) использовался алюминиевый порошок ПА-4. Для нанесения пятого слоя (износостойкого) использовался композиционный порошковый материал с фракционным составом 0,032 мкм, в котором содержание углерода составляет 1,6 мас. %, Аl и неизбежные примеси остальное.
Результаты сравнительных исследований приведены в таблице 6. Результаты показывают: наилучшими характеристиками обладает покрытие, полученное из механической смеси, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Полученный композиционный порошок использовался в качестве композиционного порошка для нанесения покрытий на металлическую подложку марки Ст3 методом ХГДН. Толщина полученного покрытия составляла 480 мкм.
Результаты анализа представлены в таблице 7.
На основании приведенных данных видно, что порошок позволяет
получить покрытие с более высокой износостойкостью при t=600°C, чем у покрытия, изготовленного из порошка по прототипу.
Предложенный способ можно использовать при нанесении покрытий на функциональные элементы, работающие в режиме пар трения без существенного перегрева конструкции, так как напыляемый материал (алюминий с углеродными нановолокнами) образует единый монолитный слой с деталью и имеет функциональные свойства по всей поверхности полученного композита.
Изобретение относится к технологии управляемых процессов формирования функциональной поверхности и может быть использовано в судостроении для различных элементов корпусов, судовой арматуры, элементов насосов, в авиастроении, для облегченных конструкций корпуса самолета, в обшивке и обтекателе самолета, при изготовления деталей для пар трения (насосы).