КОМПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ВЗРЫВАЕМЫЙ ПРОВОДНИК ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЛИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Российский патент 2013 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий, в частности к электровзрывному напылению покрытий и электровзрывному легированию с применением в качестве электрически взрываемых проводников фольг различных металлов и сплавов с размещенными на них порошковыми навесками напыляемых веществ, и может быть использовано, например, в электротехнике для формирования покрытий на контактных поверхностях с высокой электроэрозионной стойкостью.

Известно устройство [1] для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее центральный и наружный высоковольтные электроды, изолированные друг от друга и установленные коаксиально, дополнительный цилиндрический высоковольтный электрод и сопло, которое снабжено механически прочным диэлектрическим цилиндром, сопло выполнено в виде сопла Лаваля с внешней фаской, центральный высоковольтный электрод выполнен в виде стержня со сквозным соосным каналом, наружный высоковольтный электрод выполнен в виде полого цилиндра с внутренней фаской на торце, дополнительный высоковольтный электрод выполнен в виде кольца с периферийной частью в виде усеченного конуса и симметрично закрепленных на его поверхности стержней со сквозными соосными каналами, при этом механически прочный диэлектрический цилиндр выполнен со сквозными отверстиями для размещения стержней дополнительного высоковольтного электрода, симметрично расположенными относительно главной оси диэлектрического цилиндра, и с профилем и размерами торца, аналогичными профилю и размерам взрывающейся фольги, которая выполнена в виде плоского кольца с усеченным конусом, причем взрывающаяся фольга расположена на торце механически прочного диэлектрического цилиндра, дополнительный высоковольтный электрод периферийной частью в виде усеченного конуса расположен на центральной части усеченного конуса взрывающейся фольги, наружный высоковольтный электрод расположен на боковой поверхности диэлектрического цилиндра таким образом, что периферийная часть усеченного конуса взрывающейся фольги расположена на поверхности внутренней фаски наружного высоковольтного электрода, диэлектрический цилиндр с взрывающейся фольгой и электродами установлен на торце сопла Лаваля, причем поверхность внешней фаски сопла Лаваля, периферийная часть усеченного конуса взрывающейся фольги и поверхность внутренней фаски наружного высоковольтного электрода являются сопряженными, а сквозные каналы центрального высоковольтного электрода и стержней дополнительного высоковольтного электрода предназначены для подачи газа в полость сопла Лаваля.

Недостатком устройства для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги является использование в качестве материала электрически взрываемого проводника металлической фольги. Это ограничивает возможности применения данного устройства для напыления покрытий на поверхность металлов и сплавов только продуктами взрыва фольги. Расширение области практического использования электровзрывного напыления покрытий достигается размещением в области взрыва порошковой навески различных веществ, таких как графит, бор, оксиды, карбиды и др. Дополнительное размещение в области взрыва порошковой навески напыляемого материала путем ее насыпания на фольгу приводит к низкому коэффициенту использования материала порошка и неравномерному распределению его частиц в покрытии, поскольку продукты взрыва фольги отбрасывают частицы порошка на стенки сопла. В связи с этим возникает задача повышения коэффициента использования материала порошка.

Обработка поверхности проводится путем формирования импульсной плазменной струи продуктов взрыва с использованием плазменного ускорителя с коаксиально-торцевой системой электродов, на которых закрепляется взрываемая фольга и разрушается под действием разрядного тока от емкостного накопителя энергии. Продукты взрыва включают плазменный компонент и конденсированные частицы, которые, осаждаясь на поверхности, формируют покрытие.

Известен шнуровой материал для газопламенного напыления [2], включающий изготовленную из органического материала оболочку и сердечник, содержащий, мас.%: гранулированный технологический наполнитель 88…92, органическое связующее 8…12, при этом гранулированный технологический наполнитель содержит, мас.%: графит 2,5…4,5, гексагональный нитрид бора 10,0…16,0, оксид кадмия 2,0…4,0, оксид меди 11,0…14,0, никель - остальное.

Недостатком шнурового материала является то, что органическая оболочка при электровзрыве шнурового материала в вакууме загрязняет напыляемые покрытия.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение качества композиционных покрытий, которое обеспечивается увеличением коэффициента использования материала сердечника и равномерным распределением компонентов покрытия по его объему.

Поставленная задача реализуется композиционным электрически взрываемым проводником для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов с использованием плазменного ускорителя с коаксиальной системой электродов. Он состоит из оболочки и сердечника в виде порошка, при этом оболочка состоит из двух слоев электрически взрываемой плоской фольги массой 60…360 мг, а масса сердечника составляет 0,5…2,0 массы фольги.

Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов, на фиг.2 - покрытие системы TiB₂-Cu, полученное с его использованием, на фиг.3 - покрытие системы W-Cu, полученное с его использованием, на фиг.4 - покрытие системы Мо-Сu, полученное с его использованием, на фиг.5 - легированный слой на стали 45 после электровзрывного алитирования совместно с карбидом кремния. Композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов состоит из оболочки (фольги) 1 и сердечника (порошковой навески напыляемого материала) 2, закрепляется на торцах коаксиальных электродов центрального 3 и наружного кольцевого 4, разрушается под действием электрического тока от емкостного накопителя энергии, формируется с использованием плазменного ускорителя в многофазную плазменную струю и напыляется на подложку 5.

Изменение соотношения масс оболочки m_f (фольги) и сердечника m_c (порошковой навески), которое характеризуется коэффициентом K=m_f/m_c, дает возможность управлять структурой покрытия, а также обеспечивать необходимый состав композиционных покрытий. Формирование покрытия происходит при перемешивании напыленных на поверхность плазменных и конденсированных продуктов взрыва фольги с частицами порошковой навески и последующем теплоотводе в материал основы. Напыление при K<0,5 приводит к уменьшению коэффициента использования материала сердечника и нарушает равномерное распределение компонентов покрытия по его объему. Напыление при K>2,0 приводит к формированию покрытия преимущественно из продуктов взрыва фольги, а не порошковой навески, что не обеспечивает необходимых свойств композиционного покрытия, например его электроэрозионной стойкости. Превышение массы фольги свыше 360 мг нецелесообразно, поскольку при этом продукты разрушения фольги преимущественно состоят из конденсированных частиц (капель) и не происходит полного переноса частиц порошковой навески сердечника на обрабатываемую поверхность. Использование фольг меньшей массы 60 мг нецелесообразно из-за малой толщины формируемых покрытий.

Композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов может быть изготовлен с сердечником, включающим как однородные порошки различных материалов (графита, бора, металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений и т.п.), так и композиционные порошки, а также механические смеси указанных материалов.

Примеры конкретного осуществления устройства:

Пример 1.

Обработке подвергали контактную поверхность образца из электротехнической меди марки М00 площадью 4 см². Использовали композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов, состоящий из оболочки и сердечника. Оболочка представляла собой два слоя плоской медной фольги массой 60 мг, а сердечник - порошковую навеску диборида титана такой же массы.

Получили электроэрозионностойкое покрытие системы TiB₂-Cu (фиг.2) из несмешивающихся компонентов с композиционной наполненной структурой, в которой диборид титана и медь равномерно распределены по объему покрытия, имеющего когезионно-адгезионную связь с основой.

Пример 2.

Обработке подвергали контактную поверхность образца из электротехнической меди марки М00 площадью 4 см². Использовали композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов, состоящий из оболочки и сердечника. Оболочка представляла собой два слоя плоской медной фольги массой 200 мг, а сердечник - порошковую навеску вольфрама массой 400 мг.

Получили электроэрозионностойкое покрытие системы W-Cu (фиг.3) из несмешивающихся компонентов с композиционной наполненной структурой, в которой вольфрам и медь равномерно распределены по объему покрытия, имеющего когезионно-адгезионную связь с основой.

Пример 3.

Обработке подвергали контактную поверхность образца из электротехнической меди марки М00 площадью 4 см². Использовали композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов, состоящий из оболочки и сердечника. Оболочка представляла собой два слоя плоской медной фольги массой 360 мг, а сердечник - порошковую навеску молибдена массой 180 мг.

Получили электроэрозионностойкое покрытие системы Мо-Сu (фиг.4) из несмешивающихся компонентов с композиционной наполненной структурой, в которой молибден и медь равномерно распределены по объему покрытия, имеющего когезионно-адгезионную связь с основой.

Пример 4.

Обработке подвергали поверхность образца из углеродистой стали 45 площадью 2 см². Использовали композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов, состоящий из оболочки и сердечника. Оболочка представляла собой два слоя плоской алюминиевой фольги массой 60 мг, а сердечник - порошковую навеску карбида кремния массой 30 мг.

Получили высокотвердый и износостойкий поверхностный легированный слой системы сталь 45-Al-SiC (фиг.5) с композиционной наполненной структурой, в которой карбид кремния, сталь 45 и алюминий равномерно распределены по объему зоны легирования, имеющего когезионно-адгезионную связью с основой.

Проводник состоит из оболочки и сердечника, выполненного в виде порошка. Оболочка состоит из двух слоев электрически взрываемой плоской фольги массой 60…360 мг. Масса сердечника составляет 0,5…2,0 массы фольги. Техническим результатом изобретения является улучшение качества композиционных покрытий за счет увеличения коэффициента использования материала сердечника и равномерного распределения компонентов покрытия по его объему. 5 ил., 4 пр.

Композиционный электрически взрываемый проводник для электровзрывного напыления покрытий или электровзрывного легирования поверхности металлов и сплавов с использованием плазменного ускорителя с коаксиальной системой электродов, состоящий из оболочки и сердечника в виде порошка, при этом оболочка состоит из двух слоев электрически взрываемой плоской фольги массой 60÷360 мг, а масса сердечника составляет 0,5÷2,0 массы фольги.