КОМПОЗИЦИОННЫЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ ПОРОШОК ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
COMPOSITE NANOSTRUCTURED POWDER FOR COATING APPLICATION

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к порошкам для нанесения износо- и коррозионно-стойких покрытий с высокой адгезионной и когезионной прочностью методом холодного газодинамического напыления (ХГДН).
2
2
2
3
Известен композиционный керамический материал (патент RU 2341494 от 05.02.2007, C04B 35/488, опубл. 20.12.2008), состоящий из матрицы и упрочнителя. Материал содержит в качестве матрицы ультрадисперсный порошок диоксида циркония (ZrO), а в качестве упрочнителя - армирующие частицы, полученные плазмохимическим методом из диоксида циркония (ZrO) и оксида алюминия (AlO), и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителя, об.%:
- армирующие частицы
15-55
- порошок диоксида циркония
остальное
2
3
при этом армирующие частицы содержат 20-50 об.% оксида алюминия (AlO).
Известен способ получения композитных порошковых наноматериалов с металлической матрицей (патент RU 2434713 от 16.11.2009, B22F 3/06, С22С 1/05, опубл. 27.11.2011), армированной оксидными наполнителями, применяемых для создания износо- и коррозионно-стойких беспористых покрытий. Способ включает механическое легирование пластичных металлических порошков неметаллическими частицами высокой твердости, причем в качестве пластичных металлических порошков используют порошки системы Al-Zn-Sn, а в качестве неметаллических частиц высокой твердости используют порошок корунда наноразмерной фракции. Технический результат: получение композитного материала с металлической матрицей, армированной наноразмерным упрочнителем, для создания практически беспористого функционально-градиентного покрытия с повышенными эксплуатационными свойствами.
Известен композиционный конструкционный материал (патент RU 2434962 от 27.05.2010, C22C 1/05, опубл. 27.11.2011), который состоит из металлической матрицы, порошковой добавки, представляющей собой интерметаллид, сталь или сплав, и нанодисперсного порошка, представляющего собой термодинамически стабильные и устойчивые к компонентам конструкционного материала оксиды, карбиды, нитриды и бориды металлов и/или неметаллов.
Однако данные материалы предназначены для изготовления изделий, полученных с использованием гранульной металлургии и обладающих, в основном, высокими жаропрочными и жаростойкими характеристиками (лопатки газотурбинных двигателей, клапаны двигателей внутреннего сгорания).
Наиболее близким является способ получения наноструктурированных композиционных частиц с металлической матрицей (патент RU 2417136 от 13.10.2009, B22F 1/00, C22C 1/05, опубл. 27.04.2011), армированной наноразмерным оксидным наполнителем, которые могут применяться в качестве порошка для нанесения функционально-градиентных покрытий. Смесь порошка матричного металла дисперсностью 20-60 мкм и дисперсного оксидного порошка с размером частиц 3-100 нм подвергают сверхскоростному механосинтезу при ускорении частиц 450g±20g для получения агломерированных дисперсных частиц. Получены частицы со степенью армирования более 80% и высокими механическими характеристиками.
Однако для получения прочноплотных функциональных покрытий из исходных порошков с высокой микротвердостью (например, у материалов типа сталь Гадфильда) необходимо создание плакирующего слоя, имеющего высокую вязкость и выполняющего функции пластификатора при формировании покрытий.
Для того чтобы этот процесс эффективно реализовывался, необходим оптимальный подбор материалов сердцевины и покрытия. Весьма перспективным для базовой композиции является сталь Гадфильда (ГОСТ 977-88), имеющая следующий химический состав:
C
Mn
Si
Cr
Ni
Cu
S
P
0,9-1,5
11,5-15
0,3-1,00
<1,00
<1,00
<0,30
<0,05
<0,12
Основным преимуществом стали Гадфильда является высокое сопротивление износу при одновременном воздействии высоких давлений или ударных нагрузок.
Получение покрытий из стали Гадфильда традиционными высокотемпературными методами не представляется возможным, прежде всего, из-за деградации химического и фазового состава и соответственно функциональных свойств используемого материала. При высоких температурах гетерофазного потока наблюдается интенсивное выгорание марганца.
Предпочтительным является напыление покрытий методом ХГДН, при котором температура частиц не превышает 100-120°C при скоростях переноса равных скорости звука. При этом формирование плотной структуры покрытия с высокой адгезионной и когезионной прочностью происходит не за счет оплавления (или расплавления) порошкового материала, как при других газотермических методах, а за счет преобразования высокой кинетической энергии летящих частиц в пластическую деформацию поверхностных слоев.
Однако при использовании порошка с высокой твердостью пластическая деформация поверхностных слоев весьма затруднительна, т.к. твердые частицы упруго отскакивают от поверхности.
Техническим результатом изобретения является создание композиционного порошка с сердцевиной из стали, аналогичной по составу стали Гадфильда, с тонким покрытием из пластичного металла, обеспечивающего сцепление частиц с подложкой и между собой, обеспечивая высокую адгезионнную и когезионную прочность наносимого покрытия.
Технический результат достигается за счет того, что в композиционном наноструктурированном порошке для нанесения покрытий методом холодного газодинамического напыления, частицы которого содержат металлическую матрицу и оксидный упрочнитель, в соответствии с изобретением, между металлической матрицей и оксидным упрочнителем выполнен плакирующий слой из пластичного порошка  алюминия с образованием при последующем отжиге диффузионного слоя из интерметаллидов на границе металлической матрицы и плакирующего слоя, а также армированного поверхностного слоя при взаимодействии плакирующего слоя и оксидного упрочнителя, причем в качестве металлической матрицы используют порошок из стали, аналогичной по составу стали Гадфильда.
Поверхностное плакирование твердой сердцевины порошков из стали Гадфильда пластичным порошком (пластификатором) происходит при их совместной обработке на дезинтеграторе или аттриторе с последующим поверхностным термодиффузионным отжигом и выдержке. Толщина плакирующего слоя составляет 4-8 мкм.
При отжиге происходит образование в композиционном порошке по границе пластификатор-сталь Гадфильда растворно-диффузионного слоя интерметаллидов за счет взаимодействия марганца из стали с металлом-пластификатором. Этот слой обеспечивает высокую прочность сцепления плакирующего металла со стальной сердцевиной и гарантирует получение высокопрочных, практически беспористых покрытий с высокой микротвердостью и соответственно износо- и коррозионной стойкостью.
6
Оптимальным с точки зрения достижения устойчивых параметров процессов напыления функциональных покрытий из композиционных порошков является температура термодиффузионного отжига, соответствующая образованию стабильного интерметаллида (например, AlMn) и равная 705±5°C. При такой температуре и изотермической выдержке в течение 1 часа образуется переходный диффузионный слой толщиной 0,6-1,2 мкм. При толщинах меньше 0,6 мкм не удается получить сплошного диффузионного слоя, обеспечивающего требуемую прочность. При толщинах больше 1,2 мкм диффузионный слой представляет собой самостоятельную фазу металл-стекло, что также приводит к разупрочнению.
Однако наличие большого количества свободного металла-пластификатора в плакирующем слое может привести к снижению интегральной прочности получаемых покрытий на основе композиционного порошка. Для исключения этого негативного явления производится дополнительное поверхностное армирование плакирующего слоя наночастицами оксидного упрочнителя (например, нанокорундом) фракции 10-100 нм с помощью их совместной обработки в дезинтеграторе или аттриторе.
При этом необходимо сохранить сочетание высоких пластичных свойств пластификатора и интегральной микротвердости армированного композита. Экспериментально установлено, что это возможно только в случае, если объемная доля оксидного упрочнителя в плакирующем слое будет находиться в пределах 30-40%.
ПРИМЕР 1
Для получения композиционного порошка в качестве твердой сердцевины использовался порошок из стали Гадфильда с фракционным составом 40 мкм (марка стали 110Г13Л) - твердый сплав на основе марганца (Mn), а в качестве плакирующего слоя - порошок алюминия (Al) с фракционным составом 4 мкм.
-1
Опытная партия составляла 1000 г. Обработку проводили за один проход в дезинтеграторе ДЕЗИ-ЕХ с частотой вращения роторов 200 с.
Полученный порошок представляет собой частицы с твердым ядром из стали Гадфильда, равномерно покрытым оболочкой алюминия (Al). Толщина плакирующего слоя составляет 4 мкм.
6
Затем полученный плакированный порошок системы сталь Гадфильда - Al загружали в печь СНВЭ и проводили термодиффузионный отжиг при температуре, равной 705±5°C, и изотермической выдержке в течение 1 часа, вследствие чего в данном порошке образовывались стабильные интерметаллиды AlMn - переходный диффузионный слой толщиной 0,6 мкм.
Затем проводилось упрочнение плакирующего алюминиевого слоя нанокорундом с фракцией 10 нм.
-1
Для этого проводилась обработка в дезинтеграторе ДЕЗИ-ЕХ за один проход с частотой вращения роторов 200 с.
Полученный композиционный порошок, пройдя разгрузочный канал и циклон, собирался в специальный приемный контейнер.
Полученный порошок контролировался рентгеноструктурным и металлографическим анализами.
Фазовый состав композиционного порошка определяли методом лазерной дифрактометрии на дифрактометре Malvern Mastersizer 2000, исследование микроструктуры проводили на электронном микроскопе Tescan.
Полученный композиционный порошок использовался в качестве композиционного порошка для нанесения покрытий на металлическую (например, стальную) поверхность методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН). Толщина полученного покрытия составляла 120 мкм.
Микротвердость покрытий оценивали на шлифах в соответствии с ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 100 г. Адгезивную прочность определяли на образцах на разрывной машине MP-100, плотность (пористость) покрытия исследовали на анализаторе удельной поверхности «TriStar-3020». Исследования на износостойкость проводили на машине трения УМТ-2168.
Покрытия из порошковых материалов, полученных предлагаемым способом, обладают высокой плотностью (0,7%), равномерным распределением твердости по сечению покрытия (800 HV).
ПРИМЕР 2
Для получения композиционного порошка в качестве твердой сердцевины использовался порошок из стали Гадфильда с фракционным составом 40 мкм (марка стали 110Г13Л) - твердый сплав на основе марганца (Mn), а в качестве плакирующего слоя - порошок алюминия (Al) с фракционным составом 8 мкм.
Опытная партия составляла 1000 г. Обработку проводили за один проход в аттриторе.
Полученный порошок представляет собой частицы с твердым ядром из сплава Гадфильда, равномерно покрытым оболочкой алюминия (Al). Толщина плакирующего слоя составляет 8 мкм.
6
Затем полученный плакированный порошок системы сталь Гадфильда - Al загружали в печь СНВЭ и проводили термодиффузионный отжиг при температуре, равной 705±5°C, и изотермической выдержке в течение 1 часа, вследствие чего в данном порошке образовывались стабильные интерметаллиды AlMn - переходный диффузионный слой толщиной 1,2 мкм.
Затем проводилось упрочнение плакирующего алюминиевого слоя нанокорундом с фракцией 100 нм.
Для этого проводилась обработка в аттриторе за один проход.
Фазовый состав композиционного порошка определяли методом лазерной дифрактометрии на дифрактометре Malvern Mastersizer 2000, исследование микроструктуры проводили на электронном микроскопе Tescan.
Полученный композиционный порошок использовался в качестве композиционного порошка для нанесения покрытий на металлическую (например, стальную) поверхность методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН). Толщина полученного покрытия составляла 120 мкм.
Микротвердость покрытий оценивали на шлифах в соответствии с ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 100 г. Адгезионную прочность определяли на образцах на разрывной машине MP-100, плотность (пористость) покрытия исследовали на анализаторе удельной поверхности «TriStar-3020». Исследования на износостойкость проводили на машине трения УМТ-2168.
Таким образом, видно, что предлагаемый способ позволяет получать композиционные порошки со степенью армирования от 30 до 40% методом сверхскоростного механосинтеза при соблюдении выбранных режимов обработки, которые применяются для создания для функциональных покрытий с высокими эксплуатационными свойствами.
Покрытия из порошковых материалов, полученных предлагаемым способом, обладают высокой плотностью (2,2%), равномерным распределением твердости по сечению покрытия (850 HV).