ПОРОШОК ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1994 года по МПК C23C4/04 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при получении плазменных покрытий на деталях, работающих в условиях высоких температур, абразивного износа и ударных нагрузок.

Известен порошок для плазменного напыления, содержащий Ni-Cr-Al-Y, используемый для повышения эксплуатационной стойкости лопаток газотурбинных установок [1].

Однако покрытие из этого материала характеризуется низкой износостойкостью, так как интерметаллиды типа Ni-Al и Cr-Al обладают низкой твердостью.

Известен состав жаростойкого покрытия на основе Ni-Cr с тугоплавкой добавкой в виде Al₂O₃ [2] в количестве 0-30 мас.%. Покрытие, как и в первом случае, напыляется без последующего оплавления, так как в состав материала не входят В и Si, которые обеспечивают самофлюсование покрытия. Поэтому невозможно достичь высокой адгезии напыленных слоев, а следовательно, использовать покрытия при ударном нагружении.

В качестве прототипа выбран состав типа "стеллит" (самофлюсующийся сплав, используемый с последующим оплавлением после напыления покрытий, поэтому рекомендуемый для работы при ударных нагрузках) на основе Со, содержащий Ni, Cr, B, Si, C, W [3]. Недостаток в том, что работоспособность таких покрытий ограничена температурой 850^оС и они недостаточно износостойки.

Целью изобретения является повышение износостойкости, жаростойкости покрытий и улучшение их качества за счет снижения пористости.

Для достижения поставленной цели известный порошок стеллита дополнительно содержит тугоплавкую составляющую при следующем соотношении ее к основе - стеллиту, мас.%: тугоплавкая добавка 10-50; стеллит остальное, при этом состав тугоплавкой добавки следующий, мас.%: окись алюминия 34-55 и хpомид алюминия 45-66.

В ходе исследований были установлены пределы входящих в состав порошка компонентов. При содержании в покрытии добавки менее 10 мас.% не достигается требуемых износостойкости, жаростойкости и пористости (табл. 1). Это объясняется недостатком твердых зерен. В случае превышения верхнего предела (50% ) самофлюсующийся сплав (стеллит) плохо смачивает тугоплавкую добавку, так как перестает течь вследствие малого его количества, что является причиной снижения износостойкости из-за выкрашивания твердых зерен; повышения пористости и снижения жаростойкости. Оптимальное содержание добавки составляет 35 мас.%.

Преимуществом предлагаемого технического решения является повышение жаростойкости покрытий, а именно: увеличение температурного интервала, в котором не происходит интенсивного окисления покрытия. Исходя из табл. 2, жаростойкость покрытия предлагаемого состава повышается в 2,9-7,9 раза в зависимости от температуры. Ниже 900^оС расхождение степеней окисления стеллита и предлагаемого состава покрытия составляет 2,9 раза, с увеличением температуры выше 1050^оС эти расхождения также сужаются до 5,8, 4,7 раза. Максимальное различие наблюдается при 1000^оС (7,9 раз).

Если сравнивать абсолютные значения, то жаростойкость покрытия предлагаемого состава при 1100^оС можно сравнивать с таковой для стеллита при 875^оС, то есть температурный интервал работы предлагаемого состава покрытий расширяется до 1100^оС.

Следующим отличительным признаком предлагаемого изобретения является состав тугоплавкой добавки. Увеличение содержания Al₂O₃ (выше 55%) приводит к снижению износостойкости покрытий и увеличению пористости, что вызвано меньшей смачиваемостью Al₂O₃ стеллитом, в результате чего тугоплавкая добавка выкрашивается и служит дополнительным абразивом к тем условиям, в которых работают покрытия. Снижение содержания Al₂O₃ в добавке ниже нижнего предела (34 мас.%) приводит также к снижению износостойкости, что связано с микротвердостью составляющих тугоплавкую добавку компонентов, а именно Al₂O₃ имеет микротвердость 2500 кг/мм², а AlCr₂ - 400-600 кг/мм², то есть в покрытии появляется большее количество более пластичной составляющей, преобладающим механизмом износа является микрорезание, царапание. Оптимальный состав добавки: 44,0 мас.% Al₂O₃ и 56 мас.% AlCr₂ (табл. 3).

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что композиционный порошок для газотермических покрытий отличается тем, что к стеллиту добавляют тугоплавкую составляющую, содержащую Al₂O₃ и AlCr₂ в определенном соотношении.

П р и м е р. Порошок тугоплавкой добавки получают путем алюмотермического восстановления оксида Cr₂O₃ и Al в количестве 65 и 35 мас.% соответственно и дисперсностью 5-50 мкм. Механическая смесь подвергается термообработке в режиме горения путем локального теплового инициирования смеси.

Полученную тугоплавкую добавку в количестве 35 мас.% смешивают со стеллитом марки ПГ-10К-01 (65 мас.%), механическую смесь готовят в смесителе типа "пьяная бочка". Далее этот порошок в виде механической смеси напыляют плазменным методом на деталь - подложку (образец) в следующем режиме: ток дуги 230-250А; напряжение 170-180 В; давление воздуха 12,0-2,5 атм; расход природного газа 0,16 м³/ч; расход плазмообразующей смеси 2-4 м³/ч; расход порошка 5 кг/ч, на установке УПУ-ЗД, затем покрытие оплавляют газо-кислородным пламенем на воздухе.

Микротвердость составляющих фаз покрытий измеряли на шлифах согласно ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 50 г.

Пористость покрытий определяли микроскопическим методом по ГОСТ 5369-65. На микрошлифе при увеличении х400 с помощью линейки окуляра по всей ее длине рассчитывали отношение общей длины отрезка, соответствующего суммарному размеру пор, лежащих на секущей, к длине секущей (линейки).

Испытания на абразивное изнашивание проводили на машине трения Х4-Б. Образцы цилиндрической формы диаметром 5 мм с покрытием на торцевой поверхности подвергали изнашиванию на абразиве из SiC N 4 (ГОСТ 6456-75). Для каждого испытания шкурку обновляли. Нагрузка на образец составляла 10 кг/см², путь трения - 15 м. За результат испытаний принимали относительную износостойкость, величину которой рассчитывали по формуле:
ε = , где G_эт, G_обр - износ эталона и образца соответственно, мг;
ρ_эт, ρ_обр - плотность эталона и образца соответственно, мг/мм³. В качестве эталона использовали Ст 50, закаленную до твердости 52-54 НRC.

Термографический анализ покрытий проводили на дериватографе G - 1500Д фирмы МОМ. Начальная навеска составляла 1,0-1,5 г, скорость нагрева 15^оС/мин, нагрев проводили до 1100^оС, на воздухе с интервалом 100^оС, измеряя изменение веса образца. Результаты испытаний представлены в табл. 1-3. Эксперименты показали, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить износостойкость покрытий в сравнении с прототипом в 1,3-2,4 раза; жаростойкость в 2,9-7,9 раза; снизить пористость покрытий в 1,2-4 раза.

Использование: получение плазменных покрытий на деталях, работающих в условиях высоких температур, абразивного износа и ударных нагрузок. Сущность изобретения: порошок для газотермических покрытий содержит, мас.%: тугоплавкую добавку 10 - 50 и стеллит остальное. Тугоплавкая добавка содержит, мас.% : окись алюминия 34 - 55 и хромид алюминия 45 - 66. 1 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. ПОРОШОК ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, содержащий стеллит, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости и жаростойкости покрытий, а также улучшения их качества за счет снижения пористости, он дополнительно содержит тугоплавкую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Тугоплавкая добавка 10 - 50
Стеллит Остальное
2. Порошок по п.1, отличающийся тем, что тугоплавкая добавка содержит, мас.%:
Окись алюминия 34 - 55
Хромид алюминия 45 - 66