Композиционная проволока для наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава Российский патент 2022 года по МПК B23K35/02 B23K35/365 

Изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено, например, для дуговой, лазерной, плазменной и электроннолучевой наплавки покрытий на металлические детали, а также для изготовления изделий методом послойной аддитивной роботизированной наплавки.

Известен сварочный материал для сварки и наплавки (Паршин С.Г. Наноструктурированный сварочный материал. Патент РФ №2544317 от 01.07.2013 г. Опубликовано 10.01.2015 г. Бюл. №1), который состоит из стального сердечника с покрытием из смеси полимера с наноразмерными частицами активирующего флюса, карбидов и редкоземельных металлов. Указанный материал позволяет увеличить твердость наплавленного износостойкого слоя на поверхность деталей, работающих при интенсивном ударно-абразивном износе. Однако, материал имеет полимерное покрытие, которое не является электропроводным, что затрудняет его применение при механизированной и автоматической дуговой наплавке. Кроме того, материал предназначен для наплавки стальных покрытий, что увеличивает массу изделий и не обеспечивает высокую коррозионную стойкость и износостойкость при повышенных температурах в агрессивных средах.

Известна порошковая проволока для наплавки сплава на основе интерметаллидного алюминида никеля (см. Цурихин С.Н., Соколов Г.Н., Лысак В.И., Зорин И.В. Способ изготовления порошковой проволоки для наплавки сплава на основе алюминида никеля Ni₃Al. Патент РФ №2274536 от 28.08.2004 г. Опубликовано 20.04.2006 г. Бюл. №11). Указанная проволока состоит из металлической двухслойной оболочки, состоящей из алюминиевой и никелевой ленты, внутри которой содержатся порошки алюминия и никеля, а также проволоки из тугоплавкого металла. Порошковая проволока позволяет получить наплавленный материал из интерметаллидного сплава на основе алюминида никеля Ni₃Al с легированием танталом, вольфрамом и молибденом. Полученный сплав обладает высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью при повышенных температурах в агрессивных средах. Однако, предлагаемая порошковая проволока имеет высокую стоимость, а технология ее производства требует применения специальной линии формовки и волочения. Кроме того, наличие внутри тугоплавких проволок, нарушает равномерность плавления проволоки, при котором оболочка расплавляется быстрее, чем тугоплавкие проволоки сердечника. Это ограничивает применение указанного способа и снижает равномерность распределения легирующих элементов по наплавленному слою.

Известна порошковая проволока для дуговой наплавки сплава на основе алюминида никеля (см. Зорин И.В., Соколов Г.Н., Дубцов Ю.Н., Лысак В.И., Фастов С.А. Композиционная проволока для дуговой наплавки. Патент РФ №2711286 от 03.07.2019 г. Опубликовано 16.01.2020 г. Бюл. №2). Указанная проволока состоит из никелевой оболочки, внутри которой размещены проволоки из алюминия, вольфрама и молибдена, лента из тантала и порошкообразная шихта, содержащая хром, цирконий, борид титана TiB₂ и оксид церия СеО₂. Проволока позволяет повысить твердость и трещиностойкость наплавленного слоя при повышенных температурах. Однако, технология изготовления проволока также отличается повышенной сложностью, что увеличивает ее стоимость. Кроме того, наличие внутри тугоплавких проволок с большой разницей температур плавления приводит к неравномерному расплавлению оболочки и компонентов сердечника, что снижает равномерность распределения легирующих элементов по наплавленному слою.

Известна сварочная проволока с композиционным покрытием (см. Паршин С.Г., Майстро А.С. Сварочная проволока с нанокомпозиционным покрытием для сварки высокопрочных сталей. Патент РФ № от 19.05.2015 г. Опубликовано 10.12.2016. Бюл. №34), которая принята за прототип. Указанная проволока состоит из металлического стержня на поверхность которого нанесено композиционное покрытие. Композиционное покрытие выполнено электролитическим способом и включает металлическую матрицу с распределенными в ней наноразмерными частицами фторида редкоземельного металла и борида редкоземельного металла. Указанная проволока позволяет улучшить механические свойства и микроструктуру сварных соединений высокопрочных сталей, обладает низкой стоимостью и равномерным плавлением. Однако, проволока предназначена преимущественно для сварки и не позволяет получить износостойкие антикоррозионные покрытия на алюминиевой матрице с интерметаллидным упрочнением для обеспечения высокой твердости и износостойкости при повышенных температурах в агрессивных средах.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что на поверхности алюминиевого стержня размещают композиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы и распределенной в ней дисперсной фазой из смеси наноразмерных частиц карбидов и соединений редкоземельных металлов с размером частиц менее 1000 нм.

В отличие от прототипа матрица покрытия выполнена из металла, который при расплавлении с алюминиевым стержнем образует интерметаллидные соединения, при этом композиционное покрытие содержит наноразмерные частицы карбидов и соединения редкоземельных металлов, мас.%:

Металлическая матрица - 55-96;

Наноразмерные частицы карбидов - 3,9-40;

Наноразмерные частицы соединений редкоземельных металлов - 0,1-5%.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение твердости и износостойкости наплавленного металла за счет нанесения на поверхность алюминиевого стержня композиционного покрытия, содержащего наноразмерные частицы карбидов, боридов и оксидов редкоземельных металлов в металлической матрице.

В качестве алюминиевого стержня используют проволоку, ленту или пруток из чистого алюминия или алюминиевого сплава. В качестве матрицы композиционного покрытия применяют металл, выбираемый из группы: никель, титан, железо, медь, хром. Наноразмерные частицы карбидов могут состоять из частиц карбида или смеси частиц карбидов, выбираемых из группы: карбид вольфрама, карбид кремния, карбид хрома, карбид молибдена, карбид ванадия, карбид титана, карбид ниобия, карбид гафния, карбид тантала, карбид бора, карбид циркония. В качестве наноразмерных частиц соединений редкоземельных металлов используют частицы соединения или смесь частиц соединений редкоземельных металлов, выбираемых из группы: фторид лантана, фторид иттрия, фторид церия, борид лантана, борид иттрия, борид церия, оксид лантана, оксид иттрия, оксид церия.

Такое сочетание известных и новых признаков позволяет снизить плотность, увеличить твердость и износостойкость наплавленного металла при повышенных температурах. Это становится возможным, поскольку алюминиевый стержень и матрица композиционного покрытия при расплавлении сварочной дугой образуют интерметаллидные соединения, которые упрочняют алюминиевую основу сплава.

Наноразмерные частицы карбидов также являются упрочняющей фазой, они переходят из покрытия в сварочную ванну, равномерно распределяются в ней и способствуют получению мелкозернистой микроструктуры с высокой твердостью и износостойкостью.

Наноразмерные частицы фторидов, боридов и оксидов редкоземельных металлов переходят из покрытия в сварочную ванну и способствуют получению мелкозернистой микроструктуры, что увеличивает трещиностойкость наплавленного металла при циклических нагрузках в условиях повышенных температур и агрессивных сред.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где показан вид проволоки с композиционным покрытием, см. фигуру 1. Предлагаемая проволока состоит из металлического сердечника 1, на поверхности которого располагается композиционное покрытие 2, состоящее из металлической матрицы 3 с распределенными по объему матрицы наноразмерными частицами карбидов и соединений редкоземельных металлов 4.

Цель изобретения достигается тем, что на поверхности алюминиевого стержня размещают композиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы и распределенной в ней дисперсной фазой из смеси наноразмерных частиц карбидов и соединений редкоземельных металлов с размером частиц менее 1000 нм. При дуговой наплавке происходит нагрев и расплавление алюминиевого сердечника и композиционного покрытия с образованием капель, обогащенных легирующими элементами. В результате расплавленный металл матрицы и алюминия в расплавленных каплях и в сварочной ванне вступает в химическое взаимодействие с образованием интерметаллидных соединений высокой твердости. В зависимости от состава матрицы покрытия, например: никель, титан, железо, медь, хром, могут образовываться соответствующие интерметаллиды алюминия: алюминиды никеля: Ni₃Al, NiAl; алюминиды титана: Ti₃Al, TiAl, TiAl₃; алюминиды железа: Fe₃Al, FeAl; алюминиды меди: CuAl, Cu₉Al₄, CuAl₂; алюминиды хрома: Cr₄Al; CrAl. Образование интерметаллидных соединений упрочняет наплавленный металл, повышает его твердость и сопротивление износу под влиянием механических воздействий, высокой температуры и агрессивных сред.

Введение наноразмерных частиц карбидов вольфрама W₂C, WC, кремния SiC, хрома Cr₇C₃, молибдена МоС, Mo₂C, ванадия VC, титана TiC, ниобия NbC, гафния HfC, тантала ТаС, бора В₄С, циркония ZrC дополнительно повышает износостойкость и прочность наплавленного металла. Карбиды имеют микротвердость 1250-3400 МПа по Виккерсу HV₅₀ и являются основной фазой, которая оказывает сопротивление износу под действием абразивных и ударно-абразивных нагрузок (см. Лейначук Е.И. Электродуговая наплавка деталей при абразивном и гидроабразивном износе. - Киев: Наукова думка. - 185. - 160 с.). Применение карбидов элементов в виде наноразмерных частиц размером менее 1000 нм способствует измельчению микроструктуры наплавленного металла и равномерному распределению упрочняющих интерметаллидных фаз в алюминиевой матрице сплава.

Оптимальный диапазон содержания наноразмерных частиц карбидов в покрытии составляет: 3,9-40%. При содержании карбидов в покрытии менее 3,9% отсутствует дополнительное упрочнение и снижается износостойкость наплавленного металла, а также может увеличиваться рост зерна. При содержании карбидов в покрытии более 40% нарушается адгезия композиционного покрытия к алюминиевому сердечнику, снижается стабильность плавления композиционной проволоки.

Введение фторидов, боридов и оксидов редкоземельных металлов (РЗМ) - церия, иттрия, лантана способствует стабилизации микроструктуры, ограничению роста зерна, улучшению механических свойств наплавленного металла за счет микролегирования и модифицирования микроструктуры (см. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Инокулирование железо-углеродистых сплавов. М: Металлургия. 1993. 416 с. и Ефименко Н.Г. Редкоземельные металлы в сварочных материалах: Монография. Харьков: Коллегиум. 2017. 188 с). Наночастицы РЗМ имеют большую удельную поверхность, что способствует интенсивным металлургическим реакциям рафинирования за счет связывания остаточных газов, серы, фосфора в тугоплавкие соединения (см. Качанов Е.Б. Состояние и перспективы развития работ по жаропрочным сплавам для лопаток турбин. Технология легких сплавов, 2005, №1-4, с. 10-17).

Масса наноразмерных частиц соединений редкоземельных металлов в покрытии должна составлять 0,1-5%. При содержании соединений редкоземельных металлов в покрытии менее 0,1% отсутствует эффект измельчения микроструктуры, а при содержании более 5% наблюдается охрупчивание наплавленного металла за счет коагуляции неметаллических включений.

Технология изготовления композиционной проволоки для сварки и наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава основана на применении известных в промышленности способов и заключается в следующем. Гальваническую ванну заполняют раствором электролита на основе этиленгликоля, хлористых и фтористых солей металлов, в которую вводят смесь наноразмерных частиц карбидов и соединений редкоземельных металлов при концентрации 30-50 г/л, затем в ванну погружают алюминиевую проволоку диаметром 0,8-5 мм. Проволоку подключают к отрицательному полюсу источника питания, а положительный полюс источника тока подключают к металлическому аноду. При прохождении электрического тока в электролите образуются катионы металла, которые переходят из анода и из электролита и осаждаются на алюминиевой проволоке совместно с наноразмерными частицами дисперсной фазы под влиянием электростатических сил. В зависимости от режима электролитической обработки, силы тока, напряжения и длительности процесса, на поверхности алюминиевой проволоки формируется равномерное композиционное покрытие толщиной от 0,1 до 1000 мкм.

В качестве примера применения предлагаемой композиционной проволоки можно привести аргонодуговую наплавку износостойкого многослойного покрытия на пластину из алюминиевого сплава марки АМг5 толщиной 10 мм.

Смесь наноразмерных частиц карбида вольфрама WC - 30 г, карбида бора В₄С - 10 г, оксида иттрия Y₂O₃ - 5 г и фторида лантана LaF₃ - 5 г с размером частиц 200-300 нм при общем содержании 50 г/л вводили в раствор хлорида никеля в этиленгликоле при концентрации хлорида 300 г/литр. В качестве алюминиевого сердечника использовали сварочную проволоку марки АМг5 диаметром 1,6 мм, которую подключали к отрицательному полюсу источника тока. Положительный полюс подключали к аноду из никеля марки НП-1. При прохождении тока величиной 2 А на поверхности алюминиевой проволоки в течении 30 с формировалось прочное композиционное покрытие толщиной 100 мкм.

Испытания проволоки провели при многослойной наплавке в среде аргона с использованием вольфрамового электрода диаметром 3 мм при силе тока 120 А переменного тока с использованием сварочного инвертора EVOTIG-300. Затем в зону горения дуги вводили композиционную проволоку и наплавляли слой толщиной 6 мм на поверхность пластины из сплава АМг5 размером 100×100 мм толщиной 10 мм. Измерение твердости наплавленного слоя при помощи ультразвукового твердомера через каждые 2 мм показало, что твердость наплавленного слоя при аргонодуговой наплавке составляет 56-61 HRC, при этом, что твердость алюминиевой пластины из сплава АМг5 составляла 65-75 HV.

Таким образом, предлагаемая композиционная проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в увеличении твердости наплавленного износостойкого слоя, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано для наплавки покрытий на металлические детали, в частности для изготовления изделий методом послойной аддитивной роботизированной наплавки. На поверхности алюминиевого стержня выполняют композиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы и распределенной в ней дисперсной фазы из смеси наноразмерных частиц карбидов и соединений редкоземельных металлов с размером частиц менее 1000 нм в следующем соотношении, мас.%: металлическая матрица 55-96, наноразмерные частицы карбидов 3,9-40, наноразмерные частицы соединений редкоземельных металлов 0,1-5. В качестве алюминиевого стержня используют проволоку, ленту или пруток из чистого алюминия или алюминиевого сплава. В качестве матрицы композиционного покрытия используют металл, выбранный из группы: никель, титан, железо, медь и хром. Карбиды выбраны из группы: карбид вольфрама, карбид кремния, карбид хрома, карбид молибдена, карбид ванадия, карбид титана, карбид ниобия, карбид гафния, карбид тантала, карбид бора и карбид циркония. Соединения редкоземельных металлов выбраны из группы: фторид лантана, фторид иттрия, фторид церия, борид лантана, борид иттрия, борид церия, оксид лантана, оксид иттрия и оксид церия. Изобретение обеспечивает увеличение твердости, износостойкости и коррозионной стойкости наплавленного металла. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Композиционная проволока для дуговой наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава, содержащая алюминиевый стержень и электролитически нанесенное на него композиционное покрытие, включающее металлическую матрицу с распределенными в ней тугоплавкими частицами карбидов и соединений редкоземельных металлов, отличающаяся тем, что матрица покрытия выполнена из металла, который при нагреве с алюминиевым стержнем образует интерметаллидные соединения, а композиционное покрытие содержит наноразмерные частицы карбидов и соединения редкоземельных металлов, мас.%:

Металлическая матрица 55-96 Наноразмерные частицы карбидов 3,9-40 Наноразмерные частицы соединений редкоземельных металлов 0,1-5

2. Композиционная проволока для дуговой наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава по п. 1, отличающаяся тем, что матрица композиционного покрытия выполнена из металла, выбранного из группы: никель, титан, железо, медь и хром.

3. Композиционная проволока для дуговой наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава по п. 1, отличающаяся тем, что композиционное покрытие содержит частицы карбида или смесь частиц карбидов, выбранные из группы: карбид вольфрама, карбид кремния, карбид хрома, карбид молибдена, карбид ванадия, карбид титана, карбид ниобия, карбид гафния, карбид тантала, карбид бора и карбид циркония.

4. Композиционная проволока для дуговой наплавки алюмоматричного интерметаллидного сплава по п. 1, отличающаяся тем, что композиционное покрытие содержит частицы соединения или смесь соединений редкоземельных металлов, выбранные из группы: фторид лантана, фторид иттрия, фторид церия, борид лантана, борид иттрия, борид церия, оксид лантана, оксид иттрия и оксид церия.