Способ получения функционально-градиентного покрытия на основе системы Ni-Cr-Mo-TiB Российский патент 2023 года по МПК C22C19/05 C23C24/04 C23C14/16 C23C14/34 

Изобретение относится к области микрометаллургии, в частности, к получению функционально-градиентных покрытий на основе системы Ni-Cr-Mo-TiB₂, полученных методом гетерофазного переноса.

В связи с ужесточением условий эксплуатации конструкций различного назначения возрастают и ужесточаются технические требования к их характеристикам - микротвердости, стойкости к износу и коррозии.

Весьма перспективными для этой цели являются композиционные покрытия на основе системы Ni-Cr-Mo в виде р-фазы, имеющие следующий состав (мас. %): Ni - 40; Cr - 18; Мо - 42.

Эту композицию, имеющую высокие показатели по прочности (до 450 кг/мм²), микротверости (до 5,5 ГПа) и коррозионной стойкости (до 0,001 мм/год), целесообразно использовать в качестве матричного материала при создании композиционных функциональных покрытий.

Известен патент RU 2527543, в котором заявлен сплав, содержащий, мас. %: хром 18,0-40,0, молибден 30,0-40,0, алюминий 0,45-0,63, цирконий 4,5-6,4, карбид кремния 1,4-2,6, церий 0,2-0,6, иттрий 0,1-0,5, лантан 0,5-0,8, никель - остальное. Алюминий и цирконий присутствуют в сплаве в виде интерметаллида AlZr₃, содержание которого составляет 5-7 мас. %. Сплав характеризуется повышенной коррозионной стойкостью и улучшенными прочностными характеристиками (адгезия 75 МПа, пористость менее 4%, твердость 68 HRC, коррозионная стойкость 0,001-0,005 мм/год, износостойкость 1,2*10^-8).

В патенте RU 2613805 коррозионно-стойкий сплав на основе никеля содержит, мас. %: хром 28-30, молибден 8-10, азот 0,005-0,1, алюминий 0,1-0,3, углерод 0,004-0,01, кремний 0,001-0,05, железо не более 0,5, марганец не более 0,25, лантан 0,002-0,05, никель и примеси 61-63. Сплав обладает улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами (коррозионная стойкость до 0,22 мм/год, микротвердость 195 HV).

Общим недостатком этих изобретений является существенная хрупкость покрытия, возможность образования трещин и сколов при нанесении на подложки из целого ряда металлов и сплавов (различные стали, сплавы на основе Со, Ni, Cu и др.).

В качестве прототипа выбран способ получения покрытий на основе тройной системы Ni-Cr-Mo методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (Геращенков Д,А, и др., Функциональные защитные покрытия из сплава на основе никеля, «Вопросы материаловедения», 2018, 1(93), стр. 110-114). В данной статье на основе тройной композиции Ni-Cr-Mo, соответствующей Р-фазе, описана разработка сплава, легированного пластификатором - алюминием и редкоземельными элементами (церием, лантаном, иттрием). А также разработана и освоена технология получения защитных износо- и коррозионно-стойких покрытий из сплава состава 18-20 мас. % Cr; 40-42 мас. % Мо; 3-4 мас. % Al; 0,2-0,3 мас. % Се; 0,2-0,3 мас. % La; 0,2-0,3 мас. % Y методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления на конструкционно-функциональные элементы морской техники.

Недостатком данного способа получения покрытий является недостаточная микротвердость, стойкость к износу и коррозии покрытия.

Техническим результатом изобретения является создание способа получения функционально - градиентного покрытия на основе системы Ni-Cr-Mo-TiB₂, обеспечивающего высокую микротвердость, стойкостью к износу и коррозии покрытия.

Технический результат изобретения достигается тем, что нанесение функционально-градиентного покрытия, имеющее высокие значения микротвердости, стойкости к износу и коррозии, осуществляют методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления с использованием трех автономно работающих дозаторов, при этом в первый дозатор помещают порошок из чистого никеля, во второй - порошок из сплава Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂, а в третий - наноразмерный порошок диборида титана TiB₂, после чего производят напыление функционально-градиентного покрытия с использованием специальной компьютерной программы, согласно которой вначале из первого дозатора производится напыление адгезионного подслоя никеля, затем первый дозатор отключается и включается второй и третий дозаторы, причем из второго дозатора начинает поступать порошок Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ с максимальным расходом, а из третьего - минимальным расходом TiB₂, затем по линейному закону количество порошка из второго дозатора уменьшается, а из третьего - увеличивается до получения на периферийных слоях покрытия состава TiB₂, для напыления используются порошки следующих фракций: Ni - 20-40 мкм; Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ - 40-50 мкм; TiB₂, - 80-120 нм.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Функционально-градиентное защитное покрытие системы Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ наносится с помощью установки «Димет 403» с использованием специальной компьютерной программы. Напыление производится из трех автономно работающих дозаторов.

В дозаторе 1 находится порошок из чистого никеля фракцией 20-40 мкм, в дозаторе 2 - порошок из сплава системы Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ фракцией 40-50 мкм и в дозаторе 3 - нанопорошок TiB₂ из фракцией 80-120 нм.

В соответствии с заданной программой вначале включается дозатор 1 с порошком из чистого никеля и на ленточную подложку (например, из стали Х20Н80, Х15Ю15) производится напыление адгезивного подслоя толщиной 30-50 мкм, что обеспечивает высокую адгезию напыления. Затем дозатор 1 отключается и включаются дозаторы 2 и 3. Причем в соответствии с программой вначале дозатор 2 имеет максимальный расход (100% Ni-Cr-Mo), а дозатор 3 - минимальный. После этого также в соответствии с программой производится по линейному закону уменьшение расхода из дозатора 2 и увеличивается расход из дозатора 3 до тех пор, пока на поверхности не окажется только TiB₂. Угол наклона кривых выбирается исходя из требуемой толщины покрытия. Таким образом, обеспечивается высокая адгезионная прочность, микротвердость, стойкость к износу и коррозии функционально-градиентного покрытия (микротвердость 28,8-30,0 ГПа, стойкость к износу от 0,6⋅10^-9 до 0,9⋅10^-9, скорость коррозии <0,001 мм/год, адгезия 64-73 МПа).

Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов» НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования - соглашение №13.ЦКП.21.0014 (075-11-2021-068). Уникальный идентификационный номер -RF----2296.61321X0014.

ПРИМЕР 1.

Для нанесения покрытия используются три дозатора. В дозатор 1 помещают порошок Ni марки ПНЭ-1 фракцией 20 мкм, в дозатор 2 - порошок из сплава Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ фракцией 40 мкм, а в дозатор 3 - наноразмерный порошок диборида титана TiB₂ фракцией 80-120 нм. Материал подложки Х15Ю5.

В начале методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления напыляется слой никеля из 1 дозатора при скорости потока 500 м/с, скорости сканирования 10 мм/с, шаг сканирования (между дорожками) 2,5 мм/с, расход порошка 0,8 г/с. Далее первый дозатор отключается и включается второй и третий дозаторы, из второго дозатора в покрытие начинает поступать порошок Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ с максимальным расходом, а из третьего - минимальным расходом TiB₂ при скорости потока 650 м/с, скорости сканирования 15 мм/с, шаг между дорожками 2,5 мм/с. Весь процесс протекает до получения на периферийных слоях покрытия только состава TiB₂. В результате методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления получается функционально-градиентное покрытие с заданным шихтовым составом (микротвердость 28,9 ГПа, стойкость к износу от 0,8⋅10^-9, скорость коррозии <0,001 мм/год, адгезия 67 МПа).

ПРИМЕР 2.

Для нанесения покрытия используются три дозатора. В дозатор 1 помещают порошок никеля Ni марки ПНЭ-1 фракцией 30 мкм, в дозатор 2 - порошок из сплава Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ фракцией 50 мкм, а в дозатор 3 - наноразмерный порошок диборида титана TiB₂ фракцией 80-120 нм. Материал подложки Х20Н80.

В начале процесса методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления напыляется слой из 1 дозатора при скорости потока 500 м/с, скорости сканирования 10 мм/с, шаг сканирования (между дорожками) 2,5 мм/с, расход порошка 0,8 г/с. Далее первый дозатор отключается и включается второй и третий дозаторы, из второго дозатора в покрытие начинает поступать порошок Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ с максимальным расходом, а из третьего - минимальным расходом TiB₂, толщиной 100 мкм при скорости потока 650 м/с, скорости сканирования 15 мм/с, шаг между дорожками 2,5 мм/с. Процесс повторяется до получения на периферийных слоях покрытия состава TiB₂. В результате методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления получается функционально-градиентное покрытие с заданным шихтовым составом (микротвердость 29,6 ГПа, стойкость к износу от 0,9⋅10^-9, скорость коррозии <0,001 мм/год, адгезия 64 МПа).

Изобретение относится к области микрометаллургии, в частности, к получению покрытий системы Ni-Cr-Мо-TiB₂, полученных методом гетерофазного переноса. Способ получения функционально-градиентного покрытия на основе системы Ni-Cr-Mo-TiB₂ включает нанесение дисперсных частиц на поверхность изделия методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления с использованием трех автономно работающих дозаторов, при этом в первый дозатор помещают порошок из чистого никеля Ni фракцией 20-40 мкм, во второй - порошок из сплава Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ фракцией 40-50 мкм, а в третий - наноразмерный порошок диборида титана TiB₂ фракцией 80-120 нм, после чего осуществляют напыление функционально-градиентного покрытия с использованием компьютерной программы, согласно которой вначале из первого дозатора производят напыление адгезионного подслоя никеля, затем первый дозатор отключают и включают второй и третий дозаторы, причем из второго дозатора начинают подавать порошок Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ с максимальным 100% расходом, а из третьего - с минимальным расходом TiB₂, затем по линейному закону количество порошка из второго дозатора уменьшают, а из третьего - увеличивают до получения покрытия состава TiB₂.Техническим результатом является получение функционально-градиентного покрытия на основе системы Ni-Cr-Mo-TiB₂ с высокой микротвердостью 28,8-30 ГПа, стойкостью к износу от 0,6·10^-9 до 0,9·10^-9 и коррозии менее 0,001 мм/год, адгезией 64-73 МПа. 2 пр.

Способ получения функционально-градиентного покрытия на основе системы Ni-Cr-Mo-TiB₂, включающий нанесение дисперсных частиц на поверхность изделия, отличающийся тем, что нанесение функционально-градиентного покрытия осуществляют методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления с использованием трех автономно работающих дозаторов, при этом в первый дозатор помещают порошок из чистого никеля Ni фракцией 20-40 мкм, во второй - порошок из сплава Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ фракцией 40-50 мкм, а в третий - наноразмерный порошок диборида титана TiB₂ фракцией 80-120 нм, после чего осуществляют напыление функционально-градиентного покрытия с использованием компьютерной программы, согласно которой вначале из первого дозатора производят напыление адгезионного подслоя никеля, затем первый дозатор отключают и включают второй и третий дозаторы, причем из второго дозатора начинают подавать порошок Ni₄₀Cr₁₈Mo₄₂ с максимальным 100% расходом, а из третьего - с минимальным расходом TiB₂, затем по линейному закону количество порошка из второго дозатора уменьшают, а из третьего - увеличивают до получения покрытия состава TiB₂.