СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ TiB-MO НА ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C23C4/12 C23C14/32 C23C24/08 

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности к технологии электровзрывного напыления композиционных покрытий системы TiB₂-Mo с применением в качестве взрываемого материала молибденовой фольги совместно с навеской порошка диборида титана, и может быть использовано в машиностроении для формирования поверхностей с высокой износостойкостью и микротвердостью.

Известен способ [1] вакуумного плазменного напыления композиционных покрытий системы TiB₂-Mo, включающий приготовление смеси порошков молибдена и карбида титана в шаровой мельнице в течение 8 часов и вакуумное плазменное напыление полученной смеси при давлении в камере 100…300 Мбар, расстоянии напыления 260…320 мм, однократной дозой порошка 33…41 кВт, первичном газе аргоне в количестве 35…50 л/мин, вторичном газе водороде в количестве 8…10 л/мин, скорость подачи порошка 22…30 г/мин, скорость движения пистолета 400 м/с.

Недостатком способа является низкая адгезия покрытия с основой, а также его многостадийный характер, что ограничивает его производительность. В композиционном покрытии, полученном этим способом, присутствует пористость. Наличие пористости в готовом композиционном покрытии в ряде случаев снижает его износостойкость.

Наиболее близким к заявляемому является способ [2] электровзрывного нанесения металлических покрытий на алюминиевые контактные поверхности, включающий формирование импульсной многофазной плазменной струи продуктов электрического взрыва проводников и воздействие ею на контактную поверхность, воздействие на контактную поверхность осуществляют в вакууме при нагреве поверхности до температуры плавления материала с формированием на ней рельефа покрытия и при пороговом значении удельного потока энергии плазменной струи q, определяемом по соотношению:

$$q=T\lambda \sqrt{\frac{\pi }{4\chi \tau }}$$ ,

где T - температура плавления металла; χ и λ - средние значения температуро- и теплопроводности металла в интервале температур от комнатной до температуры плавления; τ - время импульса.

Недостатком прототипа является формирование покрытий при пороговом значении удельного потока энергии, когда напыляемая поверхность нагревается до температуры плавления. В этом случае покрытие имеет адгезионную связь с основой. При напылении покрытий с оплавлением поверхности образуется промежуточный слой взаимного смешивания материалов покрытия и основы, в результате чего покрытие имеет более прочную адгезионно-когезионную связь с основой. Кроме того, прототип предполагает нанесение покрытий с высокой электропроводностью, например медных покрытий на алюминиевые контактные поверхности. Однако в ряде случаев необходимо формирование покрытий, обладающих другими высокими функциональными свойствами, например износостойкостью. Электровзрывное напыление износостойких покрытий возможно при внесении в плазменную струю порошковых частиц высокотвердых износостойких материалов и переносе их на облучаемую поверхность.

Задачей заявляемого изобретения является получение на поверхностях трения композиционных покрытий системы TiB₂-Мо, обладающих высокими значениями износостойкости, микротвердости и адгезионно-когезионной связью с основой.

Поставленная задача реализуется способом электровзрывного напыления композиционных износостойких покрытий системы TiB₂-Mo на поверхности трения.

Способ включает размещение порошковой навески из диборида титана между двумя слоями молибденовой фольги, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м² и напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.

Согласно работе [1] покрытия системы TiB₂-Mo обладают высокой износостойкостью и микротвердостью.

Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к структуре, получаемой в прототипе. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании композиционного покрытия TiB₂-Mo, характеризующегося высокой адгезией с основой на уровне когезии и отсутствием пористости, что делает возможным осуществление локального повышения износостойкости поверхности деталей трения в местах их наибольшего разрушения в условиях эксплуатации.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения покрытия системы TiB2-Mo на поверхности трения, на фиг.2 - микрофотография поперечного шлифа покрытия системы TiB₂-Mo.

Плазменный ускоритель состоит из коаксиально-торцевой системы токоподводящих электродов - внутреннего электрода 1, внешнего электрода 2, разделенных изолятором 3, и разрядной камеры 4, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумную технологическую камеру. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 5 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи.

Из продуктов взрыва и порошковой навески с помощью плазменного ускорителя формируется импульсная многофазная плазменная струя, которая направляются на поверхность трения под прямым углом.

Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что после обработки поверхности трения плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва двухслойной молибденовой фольги с размещенной в ней порошковой навеской диборида титана в режимах, при которых удельный поток энергии составляет 3,5…4,5 ГВт/м², происходит формирование однородного по объему композиционного покрытия системы TiB₂-Mo, максимальная толщина которого за один импульс обработки достигает 400…410 мкм. Использование двухслойной фольги позволяет увеличить коэффициент использования материала порошковой навески при напылении покрытий. Покрытие имеет когезионно-адгезионную связь с материалом контактной поверхности. Несмотря на то, что при напылении поверхность основы оплавляется, вследствие использования в качестве взрываемого проводника молибденовой фольги на границе покрытия с основой, например сталью 45, хрупкие интерметаллидные фазы не образуются. При этом, как видно из фиг.2, видимая резкая граница между покрытием и основой отсутствует.

Указанные режимы являются оптимальными, поскольку при электровзрывном напылении поверхностей трения в режиме, когда удельный поток энергии ниже 3,5 ГВт/м², тогда не происходит равномерного перемешивания диборида титана и молибдена в формируемом покрытии, а когда выше 4,5 ГВт/м², тогда происходит формирование развитого рельефа поверхности вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва, что ухудшает качество поверхности формируемого покрытия.

Рентгеноструктурные исследования показали, что во всех режимах обработки формируются композиционные покрытия, содержащие TiB₂ и Mo. Содержание молибдена в покрытии при использованных режимах обработки изменяется пропорционально соотношению масс молибденовой фольги и порошка диборида титана.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1

Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 50 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 3,5 ГВт/м² и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.

На поверхности трения получили покрытие системы TiB₂-Мо толщиной 60 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в молибденовой матрице, содержащее 75 об.% Mo и 25 об.% TiB₂, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.

Пример 2

Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 150 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 4,0 ГВт/м² и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.

На поверхности трения получили покрытие системы TiB₂-Mo толщиной 150 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в молибденовой матрице, содержащее 25 об.% Мо и 75 об.% TiB₂, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.

Пример 3

Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 100 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 4,5 ГВт/м² и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.

На поверхности трения получили покрытие системы TiB₂-Mo толщиной 250 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в молибденовой матрице, содержащее 50 об.% Mo и 50 об.% TiB₂, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.

Источники информации

1. Fukushima T. High temperature properties of TiB₂/Mo coatings by thermal spraying. Journal of High Temperature Society. - 2002. - Vol.28. - No.4. - p.171-175.

2. Патент РФ №2422555 на изобретение «Способ электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности» / Будовских Е.А., Романов Д.А.; заявл. 14.12.2009; опубл. 27.06.2011. Бюл. №18. 7 с.

Изобретение относится к способу электровзрывного напыления на поверхности трения композиционных покрытий системы TiB₂-Mo. Осуществляют размещение порошковой навески из диборида титана между двумя слоями молибденовой фольги. Электрическим взрывом фольги формируют импульсную многофазную плазменную струю и оплавляют ею поверхность трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м². Напыляют на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден. В результате получают покрытие, обладающее высокой износостойкостью и микротвердостью и высокой адгезией покрытия с основой. 2 ил., 3 пр.

Способ электровзрывного напыления композиционных износостойких покрытий системы TiB₂-Mo на поверхности трения, характеризующийся тем, что размещают порошковую навеску из диборида титана между двумя слоями молибденовой фольги, осуществляют электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи и оплавление ею поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м² и напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием указанного композиционного покрытия.