Способ получения биметаллов с односторонним или двусторонним плакированием с помощью "холодного" газодинамического напыления (ХГДН)
METHOD FOR PRODUCING BIMETALS WITH ONE-SIDED OR TWO-SIDED CLADDING USING “COLD” GAS DYNAMIC SPRAYING (CGDS)

Изобретение относится к области получения многослойных материалов, например на основе меди, алюминия, титана и может быть использовано при производстве биметаллов в местах, не имеющих специального прокатного и термического оборудования, а также в местах, не имеющих производственной базы. Изобретение может быть использовано также при создании отдельных фрагментов из биметалла уже на готовом изделии.
Изобретение может практически реализовано в машиностроении, судостроении, приборостроении, энергетике.
Существует целый ряд методов, позволяющих получать биметалл из разнородных металлов. К ним относятся методы совместной прокатки и сварки взрывом. Поверхностный слой создается для защиты основного металла от коррозии в агрессивных средах и, как следствие, значительно увеличивается ресурс работы механизмов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.
В известном способе получения биметаллов совместной прокаткой (патент RU 2756086 С1, 16.02.2021 г.) требуется предварительная подготовка поверхности стального и алюминиевого листов для придания в поперечном направлении к оси прокатки трапецеидального рельефа поверхности с высотой трапецеидального выступа до 70 мкм и углом при основании (40-45)°, дальнейшая совместная прокатка собранного пакета со степенью деформации (65-80)% с последующим отжигом.
Как известно, механические свойства соединения определяются физико-химическими процессами, происходящими при взаимодействии плакирующего слоя со стальным листом в процессе прокатки, поэтому для повышения адгезии при соединении алюминия и стали используют промежуточные демпфирующие покрытия, наносимые на стальные детали гальваническим или химическим путем, напылением в вакууме или другими способами (патент RU 2560472 С2, 08.08.2013 г.).
Также известен способ получения биметаллов сваркой взрывом (патент RU 2270742 С1 27.02.2004 г). Недостатками этого способа являются низкая и нестабильная по площади прочность сварного соединения, образование деформированных наплывов, наличие хрупкой интерметаллидной фазы на границе раздела, значительно снижающие адгезию в процессе эксплуатации, требование проведения расчетов высоты «бросания» листа и распределения взрывчатки по площади плакирующего листа. К недостаткам этого способа можно отнести также невозможность получения высокопрочный композиционный материал из листов толщиной более 30 мм, (патент Японии №49-15333, МПК B23K 19/00 13.04.74 г.).
В известных способах практически не контролируется сплошность на границе создаваемого биметалла. Это приводит к неконтролируемому снижению технологических и эксплуатационных свойств плакирующего слоя. Недостатком известных способов является невозможность создания плакирующего слоя на сложных искривленных поверхностях.
Известно много способов получения биметаллов на стали с использованием алюминия и меди. Одним из таких способов, представленном в качестве прототипа, является Способ получения многослойного материала сталь-алюминиевый сплав получаемых сваркой взрывом, (патент RU 2560472 С2, 08.08.2013 г.). Способ создания биметалла из стали и алюминиевого сплава, включает нанесение промежуточного слоя толщиной 30-40 мкм на поверхность неподвижной стальной плиты методом холодного газодинамического напыления с предварительной подготовкой поверхности методом абразивной обработки. В качестве напыляемого металла используют Al, Zn, Cu, Ni, и сплавы на их основе.
Недостатками известных способов, в том числе и прототипа являются:
1. промежуток времени между очисткой поверхности, нанесением покрытия и соединением двух пластин из мягкого и твердого металлов составляет несколько минут (до 20), что значительно снижает величину адгезии;
2. невозможность оперативно изменять толщину плакирующего слоя;
3. требуется иметь минимальный набор технологического оборудования и участок для проведения работ сваркой взрывом;
4. полученный биметалл имеет высокую себестоимость;
5. невозможность создания плакирующего слоя на сложных искривленных поверхностях и готовых изделиях.
Техническим результатом изобретения является создание способа получения биметаллов с односторонним или двусторонним плакированием с помощью «холодного» газодинамического напыления (ХГДН). Схема установки ХГДН представлена на фигуре 1.
Технический результат достигается за счет того, что способ получения биметаллов с односторонним или двусторонним плакированием с помощью «холодного» газодинамического напыления (ХГДН) включает в себя предварительную подготовку поверхности стального листа с образованием ювенильной поверхности и напыление на нее адгезивного слоя с последующим созданием на нем плакирующего слоя, где используют два автономно работающих дозатора, при этом ювенильную поверхность стального листа создают путем его обработки керамическим мелкодисперсным порошком из оксида алюминия фракцией 0,1-1,0 мкм из дозатора 1 при скорости гетерофазного потока 350-450 м/с, затем совместно с дозатором 1 включают дозатор 2 с металлическим порошком, состоящим из крупной - 5-50 мкм и мелкодисперсной фракции от 50 до 500 нм в соотношении 10:1, и наносят адгезивный слой толщиной 1,0-1,5 мм, после чего дозатор 1 отключают, и из дозатора 2 поверх адгезивного слоя напыляют плакирующий слой требуемой толщины, причем при напылении порошковой смеси из дозатора 2 скорость гетерофазного потока увеличивают до 450-500 м/с.
При нанесении пластичных материалов, таких как Al, Cu, Zn процесс напыления происходит при скоростях переноса частиц 350-450 м/с.При скорости потока менее 350 м/с кинетическая энергия набегающего потока частиц недостаточна для формирования плотного плакирующего слоя. При скорости потока свыше 500 м/с наблюдается упругое соударение и «отскок» напыляемых частиц от поверхности стального листа (подложки).
Такие скорости достигаются при использовании воздуха в качестве рабочего газа. Скорость газового потока регулируется изменением давления рабочего газа на входе сопла Лаваля и подогревом рабочего газа, например воздуха за счет прохождения его через специальный омический нагреватель, расположенный до соплового блока, разогревающий рабочий газ до 350°С.Для получения плакирующего слоя из порошков на основе Zr, Fe, Mo и их сплавов используется в качестве газа-носителя гелий, позволяющий получать газовый поток со скоростью до 1200 м/с.
2
3
На первом этапе получения плакирующего слоя вводят в сверхзвуковой поток подогретого газа неметаллические ультрадисперсные частицы, например корунда AlOфракцией от 0,1 до 1,0 мкм из дозатора 1 (порошок А) и проводят обработку поверхности напыляемого изделия до образования ювенильной поверхности. Скорость гетерофазного потока при этом составляет 350 до 450 м/с, после чего плавно уменьшают расход порошка из дозатора 1. Одновременно плавно увеличивают расход порошковой композиции (порошок В) из дозатора 2 до 2,5 г/с при скоростях гетерофазного потока от 450 до 500 м/с. По достижению максимального расхода порошка на поверхности стального листа формируют плакирующий слой с заранее выбранным соотношением компонентов на основе Cu или Al (Фигура 2).
Введение наноразмерных частиц в состав порошковой композиции обеспечивает уменьшение пористости. Этот процесс реализуется следующим технологическим приемом. Предварительно готовятся порошковые композиции, состоящие из механической смеси порошков с фракций 5-50 мкм и 50-500 нм в соотношении 10:1. Смесь засыпается в смеситель типа «пьяная бочка» и обрабатывается в течении 20 мин., сушится при 150°С в течение 30 минут, затем засыпается в дозатор 2. Введение ультрадисперсных частиц в заданном соотношении позволяет получать плакирующий слой более плотной упаковки с количеством пор менее 0,5%. Для создания равномерного плакирующего слоя используется роботизированный комплекс, например, «Кавасаки».
Существенной новизной предлагаемого решения является, во-первых, создание на границе раздела сталь - «мягкий» металл адгезивного слоя градиентного по составу за счет плавного снижения расхода керамического порошка из 1 дозатора и увеличения расхода металлического порошка из дозатора 2, во вторых, введение ультрадисперсных частиц фракцией до 500 нм в заданном соотношении в порошок, формирующий плакирующий слой. Это позволяет получать плакирующий слой более плотной упаковки, с пористостью менее 0,5%.
В результате применения настоящего изобретения осуществляется возможность создания плакирующего слоя с использованием метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления, при котором происходит подача порошка в сверхзвуковой поток подогретого рабочего газа (например, воздуха) и нанесение его на стальную поверхность изделия, при этом между очисткой поверхности стального листа и процессом создания плакирующего слоя нет временного интервала. На первом этапе происходит процесс создания ювенильной развитой поверхности стального листа с последующим созданием плакирующего слоя.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА
Для создания плакирующего слоя использовали полосу стали марки Ст-3 100,0×200,0×20,0 мм. Проводился входной контроль исходных порошковых материалов, выделение фракции менее 50 мкм с помощью центробожно-воздушного классификатора «Линк» и последующий контроль гранулометрического состава на лазерном анализаторе частиц Malvern Mastersizer 2000. Создавали порошковую композицию, состоящую из механической смеси порошка меди марки С-01-01 с фракцией 5-50 мкм и 50-500 нм в соотношении 10:1. Смесь засыпалась в смеситель типа «пьяная бочка» и обрабатывалась в течение 20 минут. Затем смесь, для повышения сыпучести, прогревали в муфельной печи при температуре 150°С в течение 30 минут. Готовая смесь засыпалась в дозатор 2.
Плакирующий слой создавали по предлагаемому способу.
2
3
На первой стадии предварительно вводили в сверхзвуковой поток подогретого газа неметаллические ультрадисперсные частицы AlOфракцией от 0,1 до 1,0 мкм из дозатора 1 и проводили обработку поверхности стального листа до образования ювенильной поверхности, скорость гетерофазного потока при этом составляет от 350 до 450 м/с, расход порошка 0,5 -1,2 г/с. Далее совместно с дозатором 1 включался дозатор 2 с порошковой композицией, состоящий из механической смеси порошков меди с фракцией 5-50 мкм и 50-500 нм в соотношении 10:1, устанавливали расход порошка 0,5 г/сек для получения адгезивного слоя толщиной 1,0-1,5 мм, обеспечивающего высокую адгезию плакирующего слоя. Далее отключается дозатор 1 и при скоростях гетерофазного потока 450-500 м/с и расходе порошка 2,5 г/сек на поверхность стальной полосы из дозатора 2 наносили медную порошковую композицию до получения требуемой толщины плакирующего слоя. Для получения равномерного плакирующего слоя с высокой сплошностью (менее 0,5%). использовали робот «Кавасаки», который обеспечивал заданную скорость сканирования, шаг между дорожками и расстояние от среза сопла до поверхности стальной полосы. На фигуре 3 представлен плакирующий слой из алюминия. Для контроля толщины и равномерности плакирующего слоя из алюминия использовали прибор «Константа»-5.
При разработке предлагаемого способа для измерения скорости частиц использовали лазерный доплеровский измеритель скорости на основе сферического интерферометра Фабри-Перро. Установлено, что при скоростях 500 м/с наблюдается существенное увеличение турбулентности потока при встрече дисперсных частиц с преградой, а соответственно и повышается адгезионная и когезионная прочность плакирующего слоя, а также возрастает коэффициент использования порошка. Использование порошка крупной фракции свыше 50 мкм не позволяет получить высокую сплошность, так как более крупным частицам не хватает кинетической энергии и они либо отскакивают, либо частично деформируются при встрече с преградой, повышая пористость.
Для измерения статической температуры частиц в потоке использовали инфракрасный радиометр (ИК) состоящий из сферического зеркала, формирующего поле зрения приемника в исследуемом потоке. Для исключения зависимости показаний радиометра от величин концентрации частиц в области наблюдения, их излучательной способности и параметров дисперсности, выходной сигнал ИК приемника нормировался на величину концентрации частиц в потоке, определяемую измерителем концентрации гелий-неоновым лазером, работающем в режиме регистрации малого углового рассеяния.
Предлагаемый способ опробован на специализированном участке НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Полученные результаты сведены в таблицу 1. При реализации данного технологического процесса использовалась установка холодного газодинамического напыления типа ДИМЕТ-421, робот «Кавасаки».
Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов» НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования -соглашение №13.ЦКП.21.0014 (075-11-2021-068). Уникальный идентификационный номер - RF-2296.61321X0014.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа нанесения покрытия, выразился в исключении из технологического процесса дорогостоящего оборудования для проведения работ по сварке взрывом, использование минимального количества технологического оборудования и значительное сокращение времени на создание плакирующего слоя.
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что заявленный в патенте технический эффект достигается только при указанных в таблицах технологических параметрах (скорость гетерофазного потока, размер исходной фракции).