ПОРОШКОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1996 года по МПК C23C4/10 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к порошковым композиционным материалам на основе карбидов, используемым для нанесения защитных износо-жаростойких покрытий методами газотермического напыления (газопламенным, плазменным, детонационным и др.) на детали машин, работающих в условиях высоких температур и нагрузок в окислительных средах в машиностроительной, авиационной и других отраслях техники.

Известны порошковые композиционные материалы для нанесения покрытий, представляющие собой порошки карбида хрома или карбида титана и плакированные никелем ("Hеорганические и органосиликатные покрытия", Ленинград, "Наука", 1975, с.87-96).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому порошковому материалу является композиционный порошковый материал для покрытий, представляющий собой смесь порошков частиц карбида титана с карбидом хрома (или с карбидами тантала, молибдена, ниобия, вольфрама), плакированного никелем (кобальтом) (Патент США 3254970, кл. 29-183.5, опубл. 1966).

Плазменные покрытия из известного материала не могут обладать достаточно высокой износостойкостью и жаростойкостью при высоких температурах в окислительной среде, поскольку состоят из механической смеси частиц индивидуальных карбидов.

Целью данного изобретения является создание композиционного порошкового материала для нанесения покрытий, обладающих высокой износостойкостью и высокой жаростойкостью одновременно и эксплуатируемых при температурах до 1000^oС в окислительной среде.

Поставленная цель достигается тем, что порошковый композиционный материал для покрытий содержит карбидную составляющую из карбида хрома и карбида титана и никель при следующем соотношении, в мас. карбид хрома З-60, карбид титана 19-81, никель 15-35.

При этом карбидная составляющая представляет собой твердый раствор карбида хрома в карбиде титана или твердый раствор указанных карбидов с карбидом хрома.

Особенностью предлагаемого композиционного порошкового материала является то, что карбидная составляющая из карбида хрома и карбида титана представляет собой не механическую смесь из частиц этих индивидуальных карбидов, а она может быть как в виде однофазного твердого раствора карбида хрома в карбиде титана, так и двухфазной в виде твердого раствора и карбида хрома. Однако и в последнем случае это не механическая смесь твердого раствора с карбидом хрома. Структура такой частицы двухфазная, мелкие кристаллиты карбида хрома равномерно распределены в матрице твердого раствора. Особенность карбидной составляющей предлагаемого материала достигается тем, что в обоих случаях ее получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из элементарного титана, хрома и углерода, взятых в соотношении на получение заявленного состава. Карбидная составляющая затем подвергается дроблению и классификации на порошки фракций 20-40 и 40-80 мкм. После плакирования этих порошков никелем в соответствующем количестве одним из известных методов (электролитическим, химическим, автоклавным или разложением карбонила никеля в виброкипящем слое) композиционный материал пригоден для использования, После дробления и классификации полученного продукта на фракции 20-40 и 40-80 мкм порошковый материал используется для напыления покрытий.

Пример 1. Готовят смесь из порошков Ti хрома, технического углерода. Готовую смесь загружают в герметический реактор, подводят вольфрамовую спираль в контакт с поверхностью реакционной смеси, реакционный объем продувают аргоном и воспламеняют смесь подачей тока на спираль. После прохождения фронта горения по реакционной смеси и охлаждения массы продукт синтеза выгружают. Затем продукт (пористая однородная масса) подвергают дроблению и классификации с целью выделения порошков зернистостью 20-40 и 40-80 мкм. После этого карбидные зерна подвергают плакированию никелем методом электролитического никелирования. Полученный порошок представляет собой частицы с ядром из карбидной составляющей, равномерно покрытым оболочкой никеля, и соответствует составу, мас. карбид хрома 60, карбид титана 25, никель 15.

По данным рентгеноструктурного и металлографического анализов ядро порошкового материала карбидная составляющая, представляет собой двухфазную систему, состоящую из твердого раствора карбида хрома в карбиде титана и карбида хрома, мелкие кристаллиты которого равномерно распределены в матрице твердого раствора. Полученный порошковый композиционный материал используется для нанесения плазменных покрытий. Плазменное напыление покрытий из этого материала осуществлялось на поверхность титанового сплава на установке УПУ-3Д с использованием плазмообразующей аргоноводородной смеси. Структура покрытия двухфазная в никелевой матрице равномерно распределены зерна карбидной фазы, толщина покрытия зависит от назначения и изменяется от приблизительно 20 мкм и более.

Пример 2. Готовят смесь из порошков титана, хрома и технического углерода, при этом соотношение исходных компонентов с учетом никеля, который наносят, как это описано в примере 1, берут на получение материала состава, мас. карбид хрома 3, карбид титана 81, никель 16.

Смесь из титана, хрома и углерода загружают в герметический реактор, подводят вольфрамовую спираль в контакт с поверхностью реакционной смеси, реакционный объем продувают аргоном и воспламеняют смесь подачей тока на спираль. После прохождения фронта горения по реакционной смеси и охлаждения массы продукт синтеза выгружают. Затем продукт, представляющий собой пористую однородную массу, подвергают дроблению и классификации с целью выделения порошков зернистостью 20-40 и 40-80 мкм. После нанесения на порошок никеля материал используют в качестве порошкового материала для напыления покрытий одним из газотермических методов. Металлографический и рентгеноструктурный анализы продукта показывают, что он представляет собой частицы однофазного твердого раствора карбида хрома в карбиде титана равномерно покрытие никелевой оболочкой.

Пример 3. Готовят смесь из порошков Ti хрома, технического углерода. Готовую смесь загружают в герметический реактор, подводят вольфрамовую спираль в контакт с поверхностью реакционной смеси, реакционный объем продувают аргоном и воспламеняют смесь подачей тока на спираль. После прохождения фронта горения по реакционной смеси и охлаждения массы продукт синтеза выгружают. Затем пористый однородный продукт подвергают дроблению и классификации с целью выделения порошков зернистостью 20-40 и 40-80 мкм. После этого карбидные зерна порошка подвергают плакированию никелем. Плакирование осуществлялось в виброкипящем слое путем осаждения на частицы никеля, образовавшегося в результате разложения карбонила никеля при нагревании его по реакции:
Ni(CO)₄ __→ Ni+4CO
Металлографический и рентгеноструктурный анализы показали, что структура частиц порошкового материала представляет собой двухфазную систему, состоящую из ядра карбидной составляющей, которое равномерно покрыто никелевой оболочкой. Карбидная составляющая двухфазная и состоит из твердого раствора карбида хрома в карбиде титана и карбида хрома, причем мелкие кристаллиты карбида хрома равномерно распределены в матрице твердого раствора. Полученный порошковый материал соответствует составу, мас. карбид хрома 46, карбид титана 19, никель 35.

Присутствие в материале карбида хрома в твердом растворе на основе карбида титана или в твердом растворе и совместно с равномерно распределенными мелкими кристаллитами его в матрице твердого раствора при температурах эксплуатации покрытия до 1000°C и в окислительной среде способствует образованию оксида хрома Cr₂О₃ и шпинелей NiCrO₄, плотных по своей структуре и хорошо сцепленных с поверхностью покрытий. Такое сочетание оксидов приводит к надежной защите покрытий от интенсивного воздействия кислорода при высоких температурах. Твердый раствор карбида хрома в карбиде титана превосходит износостойкость этих индивидуальных карбидов. Сочетание высокой износостойкости и высокой жаростойкости составляющих композиционного порошкового материала обеспечивает высокие эксплуатационные свойства плазменным (детонационным и др.) покрытиям из него (соответственно деталям и агрегатам с этим покрытием) при высоких температурах (до 1000^oC) в окислительной среде. При этом покрытия из указанного состава порошкового материала могут быть нанесены на поверхности любых металлов и сплавов и заданной толщины.

Порошковый композиционный материал для покрытий содержит карбидную составляющую из карбида хрома и карбида титана в виде твердого раствора карбида хрома в карбиде титана или твердого раствора указанных карбидов с карбидом хрома при содержании компонентов, мас.%: карбид хрома - 3-60, карбид титана - 19-81 и никель - 15-35.

Порошковый композиционный материал для покрытий, содержащий карбидную составляющую, состоящую из карбида хрома и карбида титана, и никель, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Карбид хрома 3-60
Карбид титана 19-61
Никель 15-35
при этом карбидная составляющая состоит из твердого раствора карбида хрома в карбиде титана или твердого раствора карбида хрома в карбиде титана и карбида хрома.