Препрег для шликерных покрытий, наносимых методом лазерной наплавки
PREPREG FOR SLURRY COATINGS APPLIED BY LASER WELDING

Изобретение относится к области получения материалов, в частности, к составу для шликерных покрытий при лазерной обработке металлических поверхностей конструкционных материалов, обеспечивающей повышение их твердости, износостойкости, антифрикционных свойств, термостойкости и других физико-механических показателей.
Известен состав порошковой шихты для шликерных покрытий, содержащий никель, кремний, оксиды кремния, бария, бора, хром борид титана и дисилицид молибдена (патент RU №2078849 от 10.05.1997 г.). Однако данный состав не позволяет использовать его при лазерной обработке путем оплавления шликерных покрытий.
Известен состав порошковой шихты для шликерных покрытий, содержащий кремний, борид циркония с приготовлением шликера на органическом связующем (патент RU №2471751 от 10.01.2013 г.). Однако данный состав также не позволяет использовать его при лазерной обработке путем оплавления шликерных покрытий.
Известен состав порошкообразной шихты для наплавки с использованием лазера, при этом состав содержит дисперсный порошок агломерированного карбида вольфрама и металлический порошок сплава кобальта (патент РФ №2503740, кл. С23С 4/12, В23К 26/34, 10.01.2014 г.).
Недостатком данного состава является недостаточная износостойкость покрытия в условиях эксплуатации при повышенных ударных нагрузках и температурах.
Известен состав шихты для шликерных покрытий, содержащий присадочный материал в виде мелкодисперсного порошка тугоплавких химических элементов (никель, кобальт, хром, кремний, бор), оксид меди и связующее вещество (оксиэтилцеллюлоза, силикат натрия или калия, вода) (патент RU №2607278 от 10.01.2017 г.). Недостатками данного изобретения являются низкая производительность при наплавке и недостаточная прочность наплавленного слоя.
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является препрег для шликерных покрытий, наносимых на металлические поверхности конструктивных материалов (RU 2463386 С2, МПК С23С 28/00, 10.10.2012
Способ включает электроискровое легирование поверхности с помощью электродов из ВК-6 или ВК-8, или стали 65Г, или бронзы с нанесением слоя толщиной 0,5-2,0 мм. После электроискрового легирования наносят фосфатирующий состав и прогревают поверхность струей пламени с температурой 650-750°С в течение 60-120 секунд. Затем контактным методом наносят слой препрега толщиной 0,5-3,0 мм, представляющего собой ленту из углеродных волокон с параллельной укладкой, пропитанную 18-30% связующим, состоящим из смоляной части, представляющей собой смесь эпоксидированного ароматического амина (А) и эпоксидированного феноло-формальдегидного новолака (Б) в соотношении А:Б от 95:5 до 60:40 и отвердителя - ароматического амина или смеси ароматических аминов в количестве от 25 до 70 мас. ч. на 100 мас. ч. смоляной части. Затем слой препрега нагревают газовой струей пламени из газопламенной горелки в течение 80-180 секунд при температуре струи 650-750°С. Обеспечивается нанесение антифрикционного покрытия, обладающего высокой теплостойкостью и повышенным коксообразованием при воздействии нагрева 800-1000°С, которое позволяет скреплять термостойкие углеродные волокна.
Однако данный состав также не позволяет использовать его при лазерной обработке путем оплавления шликерных покрытий.
Известно, что наиболее высокой поверхностной твердостью и термостойкостью обладают нитриды отдельных видов металлов (микротвердость на уровне алмаза, а термостойкость до 3000°С и выше). Нитрид титана обладает наиболее высокой термостойкостью, а нитрид бора наряду с высокой термостойкостью обеспечивает удовлетворительные стабильные антифрикционные свойства, что позволяет применять эти материалы в узлах трения машин и механизмов. Авторами ранее были разработаны оригинальные химические составы на основе отверждающейся смеси эпоксидированного новолака, триэтаноламинотитаната (промышленная марка ТЭАТ, ТУ 6-09-2865-66) и нефтяного пека для лазерного упрочнения металлических поверхностей с использованием лазерных установок (патент RU №2699602 от 06.09.2019 г.).
Однако при промышленных испытаниях выяснилось, что все описанные методы нанесения термостойких покрытий на металлические поверхности, включая прототип, не обеспечивают заданную расчетную толщину покрытия. При этом составы, нанесенные шпателем или напылением, не позволяют за одну операцию получать термостойкие покрытия толщиной более 15 мкм и не обеспечивают равномерности их толщины. Кроме того, все описанные методы сводятся к использованию исключительно ручного труда, не гарантирующего стабильности результатов.
Целью заявляемого изобретения является состав шихты для шликерных покрытий металлических поверхностей, пригодный для получения препрега на основе полиамидной ткани (например, капроновой, ГОСТ 16428-89, артикул 56023 или 56321), который позволяет осуществлять лазерное нанесение покрытий из термостойких составов на металлические поверхности любых конфигураций (в том числе на вертикальные) с обеспечением повышение их твердости, износостойкости, антифрикционных свойств, термостойкости и других физико-механических показателей, максимальной механизации процесса, высокой воспроизводимости результатов и достижения необходимых характеристик покрытий. При этом в составе шихты используются только серийно выпускаемые компоненты, включая триэтаноламинотитанат (промышленная марка ТЭАТ, ТУ 6-09-2865-66). Изготовление шихты осуществляется с использованием серийного промышленного оборудования.
Поставленная цель достигается тем, что коксующийся полимерный состав шихты, состоящий из смеси высокомолекулярной эпоксидной диановой смолы с молекулярной массой от 1000 до 3500 (А), триэтаноламинотитаната (Б), борного ангидрида (В) и коксующегося нефтяного пека (Г) в соотношении мас. ч. А:Б:В:Г от 80:5:5:10 до 20:25:15:40, растворенной в этилцеллозольве до концентрации, обеспечивающей нанесение на ткань от 20% до 50% сухой смеси от массы препрега наносят на полиамидную ткань, и осуществляют сушку до минимальной липкости, позволяющей наклеивать полученный препрег слоями на металлическую поверхность в соответствии с задаваемой расчетной толщиной покрытия.
Пример 1.
В реактор с быстроходной мешалкой не менее 1000 об/мин, снабженный обогревом, загружают 100 мас. ч. растворителя - этилцеллозольва, затем 7 мас. ч. порошка борного ангидрида, и перемешивают до растворения. После этого загружают малоактивную твердую эпоксидную диановую смолу марки Э-44 (ТУ ЗЗП-61, с молекулярной массой 1600, эпоксидное число 7%, коксовое число 35%), затем загружают триэтаноламинотитанат (промышленная марка ТЭАТ, ТУ 6-09-2865-66) и нефтяной пек в количествах, обеспечивающих соотношение компонентов А (эпоксидная смола): Б (триэтаноламинотитанат): В (борный ангидрид): Г (нефтяной пек) 50:15:10:25 мас. ч. Смесь перемешивают при 60°С в течение 40 минут, выливают в бидоны и переправляют в цех пропиточных машин.
Далее в стандартную пропиточную машину вставляют рулон полиамидной (капроновой) ткани, а в пропиточную ванну загружают указанный состав. За счет разбавления состава этилцеллозольвом и регулирования скорости протяжки ткани обеспечивают нанесение состава на ткань (35% от массы в пересчете на сухой состав после удаления растворителя в сушильной камере до остатка ~ 2%, обеспечивающего минимальную липкость препрега). Рулон препрега упаковывают в полиэтиленовую пленку и отправляют по назначению для проведения лазерной наплавки. Срок хранения препрега при 20°С не менее 3 месяцев, в холодильнике - до 12 месяцев. Возможна транспортировка в любых климатических условиях.
Пример 2.
Осуществляют аналогично примеру 1. Основное отличие состоит в использовании в составе компонента (А) смеси для пропитки полиамидной ткани. В качестве компонента (А) используется высокомолекулярная эпоксидная диановая смола марки Э-49 (МРТУ 6-10-606-66, с молекулярной массой 3500). При этом соотношение компонентов полимерного состава для пропитки полиамидной ткани составляет А:Б:В:Г=80:5:5:10 мас. ч. При пропитке полиамидной ткани полимерный состав растворяется в этилцеллозольве до концентрации, обеспечивающей нанесение на ткань 20% сухой смеси от массы препрега.
Пример 3.
Осуществляют аналогично примеру 1. Основное отличие состоит в использовании в составе компонента (А) смеси для пропитки полиамидной ткани. В качестве компонента (А) используется высокомолекулярная эпоксидная диановая смола марки ЭД-8 (ГОСТ 10587-72, с молекулярной массой 1000). При этом соотношение компонентов смеси для пропитки полиамидной ткани составляет А:Б:В:Г=20:25:15:40 мас. ч. При пропитке полиамидной ткани полимерный состав растворяется в этилцеллозольве до концентрации, обеспечивающей нанесение на ткань 50% сухой смеси от массы препрега.