Способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника Российский патент 2023 года по МПК C23C4/126 C23C4/08 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам нанесения покрытий из металлов и их сплавов на внутреннюю поверхность полых деталей электрическим взрывом проводника, и может быть использовано для улучшения физико-механических свойств внутренних поверхностей, а также для восстановления изношенных деталей.

Аналогом изобретения является патент SU № 1707085 (публ. 23.01.1992) способ нанесения покрытий взрывом проводника, включающий подачу проводника в межэлектродное пространство, пропускание импульса тока через проводник, взрыв проводника и нанесение продуктов взрыва проводника на подложку, при этом с целью повышения производительности и повышения качества покрытия, проводник выполняют полым.

Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, что обусловлено низкой адгезионной прочностью между покрытием и подложкой.

Прототипом изобретения является патент US № 3639150А (публ. 01.02.1972) электровзрывное напыление металла на подложку, включающий подачу проводника в межэлектродное пространство, пропускание импульса тока через проводник, взрыв проводника и нанесение продуктов взрыва проводника на подложку, при этом оптимальные условия использования энергии ударной волны, генерируемой взрывом расходуемого проводника в окружающей атмосфере или газа, определяются по формулам:

S_opt=(K₁/1000)×CVf^2/3;

l_opt=K₂×V×f^(-2/3),

где:

K₁ - постоянная материала (±20 процентов);

K₂ - является постоянной (±30 процентов);

S_opt - оптимальная площадь поперечного сечения проводника (мм²);

C - емкость конденсатора (Фарад);

V - напряжение зарядки (Вольт);

f - резонансная частота цепи (c./sec., кол/сек.);

l_opt - оптимальная длина провода (мм.).

Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, что обусловлено низкой адгезионной прочностью между покрытием и подложкой.

Задачей изобретения является усовершенствование способа нанесения покрытий на внутреннюю поверхность полых деталей электрическим взрывом проводника, позволяющее обеспечить повышение физико-механических свойств детали с покрытием.

Техническим результатом изобретения является повышение адгезионной прочности между покрытием и подложкой.

Технический результат достигается тем, что способ нанесения покрытий на внутреннюю поверхность полых деталей электрическим взрывом проводника, включающий подачу проводника в межэлектродное пространство, пропускание импульса тока через проводник, взрыв проводника и нанесение продуктов взрыва проводника на подложку, при этом оптимальные условия использования энергии ударной волны, генерируемой взрывом расходуемого проводника в окружающей атмосфере или газа, определяются по формулам:

S_opt=(K₁/1000)×CVf^2/3;

l_opt=K₂×V×f^(-2/3),

где:

K₁ - постоянная материала (±20 процентов);

K₂ - является постоянной (±30 процентов);

S_opt - оптимальная площадь поперечного сечения проводника (мм²);

C - емкость конденсатора (Фарад);

V - напряжение зарядки (Вольт);

f - резонансная частота цепи (c./sec., кол/сек.);

l_opt - оптимальная длина провода (мм.).

При этом перед нанесением покрытия проводят ультразвуковую обработку поверхности отверстия наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы по твердости не менее чем на 1 единицу выше по шкале Мооса, чем твердость материала поверхности обрабатываемого отверстия, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм, линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5-1⋅10^-3 м/мин., с последующими обезжириванием и травлением обрабатываемой поверхности отверстия, а после нанесения слоя формируемого покрытия от первого взрыва проводника проводят последующую ультразвуковую обработку упрочняющим элементом, деформирующим поверхность покрытия одновременно с пропусканием высокочастотных импульсов разряда тока через упрочняющий элемент в зону обработки к поверхности покрытия с частотой импульсных разрядов 25-26 кГц одиночными импульсами тока плотностью 1-3⋅10⁵А/см² и длительностью 1-2⋅10^-5с, усилием прижима упрочняющего элемента во время ультразвуковой обработки 600-800 Н, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 10-20 мкм, линейной скорости перемещения пятна деформации упрочняющего элемента 0,5-1⋅10^-3 м/мин.

Одним из важных критериев получаемых на поверхности изделий покрытий являются адгезия и когезия, значение которых отражается на физико-механических характеристиках получаемого изделия с покрытием. Аналогично дело обстоит и для формирования слоистого типа композитного покрытия. В таком случае помимо адгезии между покрытием и подложкой на физико-механические характеристики влияет и межслойная адгезия.

Сложность нанесения покрытий на внутреннюю поверхность отверстий малого диаметра ограничивает применение большинства существующих методов нанесения покрытий. В этих условиях наиболее оптимальным является метод нанесения покрытий посредством электрического взрыва проводника. Однако в большинстве случаев получаемая адгезия не удовлетворяет требованиям современных условий эксплуатации, что ограничивает возможную область применения данного способа для формирования на внутренней поверхности отверстия покрытий.

При этом адгезия состоит из химической адгезии, обеспечиваемой взаимодействием частиц материалов покрытия и подложки путем взаимного проникновения, формирования общей кристаллической решетки и образования химических связей, и механической, обеспечиваемой за счет сцепления напыляемых частиц с рельефной поверхности деталей, получаемых на поверхности детали после различных видов обработки. Таким образом, проводимый комплекс технологических операций по обработке внутренней поверхности отверстия перед и после напыления, позволяет в комплексе повысить как химическую, так и механическую составляющие адгезии.

Из-за особенностей отверстий малого диаметра большинство существующих методов обработки внутренней поверхности перед напылением не позволяют проводить данный вид обработки, а те которые позволяют - не обеспечивают требуемую шероховатость и тип рельефа внутренней поверхности отверстия перед напылением. Так, формирование рельефа с использованием технологии ультразвуковой обработки поверхности отверстия наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы по твердости не менее чем на 1 единицу выше по шкале Мооса, чем твердость материала поверхности обрабатываемого отверстия, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм, линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5-1⋅10^-3 м/мин. позволяет обеспечить шероховатость и рельеф поверхности, обеспечивающие увеличение механической составляющей адгезии, так как получаемая поверхность имеет большую контактную реакционную площадь и аналогична поверхности после дробеструйной обработки. Такой вид обработки также способствует повышению химической составляющей, так как происходит интенсивная поверхностная деформация, в ходе которой происходит наклеп поверхности, в результате чего повышается плотность дислокаций и вакантных мест поверхностного слоя, которые могут быть заняты атомами напыляемого покрытия в результате диффузии в тело детали. Также в результате интенсивной деформации при ультразвуковой обработке происходит механоактивация поверхности, в результате которой повышается реакционная способность поверхностного слоя, а также в результате сообщения энергии атомы переходят в возбужденное состояние, что в совокупности обеспечивает возможную диффузию атомов поверхностного слоя материала в покрытие, а также повышение интенсивности образования химической связи. Таким образом, предварительная ультразвуковая обработка поверхности отверстия наконечником волновода через абразивную суспензию позволяет повысить адгезию формируемого покрытия с внутренней поверхностью отверстия.

Обезжиривание и травление обеспечивают удаление жиров и оксидной пленки с поверхности, на которой происходит напыление, а также позволяет удалить с поверхности нерастворимые примеси в межзерновом пространстве, обеспечивая полноту и плотность сопряжения напыляемых частиц с зернами внутренней поверхности отверстия при обволакивании, что обеспечивает повышение адгезии, увеличивая площадь реакционной поверхности.

После нанесения слоя формируемого покрытия от первого взрыва проводника проводят последующую ультразвуковую обработка упрочняющим элементом, деформирующим поверхность покрытия одновременно с пропусканием высокочастотных импульсов разряда тока через упрочняющий элемент в зону обработки к поверхности покрытия с частотой импульсных разрядов 25-26 кГц одиночными импульсами тока плотностью 1-3⋅10⁵А/см² и длительностью 1-2⋅10^-5с, усилием прижима упрочняющего элемента во время ультразвуковой обработки 600-800 Н, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 10-20 мкм, линейной скорости перемещения пятна деформации упрочняющего элемента 0,5-1⋅10^-3 м/мин. В результате такой интенсивной деформации тонкого слоя с пропусканием импульсных разрядов токов, полученного после первого электрического взрыва проводника покрытия, создают условия взаимного диффузионного массопереноса атомов наносимого покрытия и внутренней поверхности отверстия, сопровождающегося занятием вакансий и линейных дефектов, взаимопроникновением атомов вглубь материала. При этом атомы покрытия в результате энергетического воздействия при ультразвуковой обработке также переходят в возбужденное состояние, что повышает их активность и интенсифицирует процесс взаимной диффузии, что обеспечивает повышение химической составляющей адгезии, а также обеспечивает плотность прилегания покрытия к внутренней поверхности отверстия. Пропускаемые разряды тока с высокой частотой, равные частоте колебания наконечника упрочняющего элемента, сопровождаются разупрочнением металла, возникает так называемый электропластический эффект (или эффект Троицкого). Электропластический эффект сопровождается снятием наклепа, возникающего в результате получаемой деформации покрытием из-за воздействия на него упрочняющего элемента. В свою очередь это позволяет более эффективно проводить поверхностную деформацию и обеспечивает возможность приложения больших усилий, что способствует значительному снижению пористости покрытия и повышению когезионной прочности, а также обеспечивает необходимую плотность и площадь сопряжения на границе раздела покрытие-подложка в месте деформирования соответствующим элементом при необходимом значении усилия прижима. При этом в результате пропускания, через деформированную зону разряда импульса тока, проходящего через слои покрытия и от покрытия к подложке, на границе раздела между покрытием приводит к локальному нагреву по траектории проскакивания разряда импульса тока, как в теле покрытия из-за наличия границы раздела между нанесенными частицами формируемого слоя покрытия, так и на границе раздела покрытие-подложка плавления из-за разности электросопротивлений материалов подложки и покрытия. В результате проскакиваемый разряд локально нагревает до температуры близкой к температуре плавлению материалов покрытия и подложки и резкому охлаждению за счет быстрого отвода тепла в объем тела как покрытия так и подожки. При этом многократно проскакиваемые разряды импульсов тока за короткий промежуток времени приводят к многократному нагреву и охлаждению, имитируя термоциклическую обработку и побуждая к интенсификации процесса взаимного диффузионного массопереноса атомов нанесенного слоя покрытия после первого электрического взрыва проводника и внутренней поверхности отверстия, сопровождающегося занятием вакансий и линейных дефектов, взаимопроникновением атомов вглубь материала. При этом атомы покрытия в результате энергетического воздействия при проскакивании разряда импульсного тока также переходят в возбужденное состояние, что повышает их активность и интенсифицирует процесс взаимной диффузии, что обеспечивает повышение химической составляющей адгезии, а также обеспечивает плотность прилегания покрытия к внутренней поверхности отверстия. Таким образом, последующая ультразвуковая обработка упрочняющим элементом, деформирующим поверхность покрытия одновременно с пропусканием высокочастотных импульсов разряда тока через упрочняющий элемент в зону обработки к поверхности покрытия после нанесения слоя от первого взрыва проводника, позволяет обеспечить значительное повышение адгезии покрытия с материалом внутренней поверхности отверстия.

Таким образом, совокупность предложенных приемов позволяет достичь поставленного технического результата.

Предлагаемый способ повышения прочности детали с покрытием подтверждается конкретным примером.

Пример.

На специальный цилиндрический полый стальной образец (Сталь 45) диаметром 10 мм со сквозным отверстием 8 мм было нанесено покрытие посредством электрического взрыва проволоки Mo₇₀W₃₀ толщиной 250 мкм. При этом предварительно образцы были обезжирены. После чего эти образцы были подвергнуты испытаниям на адгезионную прочность методом сдвига. Результаты испытаний образца, обработанного по известному способу, представлены в табл. 2.

Другие три образца перед и после напыления были подвергнуты ультразвуковой обработке поверхности отверстия наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы корунда (Al₂O₃), с последующими обезжириванием и травлением обрабатываемой поверхности отверстия, а после нанесения первого слоя покрытия от первого взрыва проводника последующая ультразвуковая обработка упрочняющим элементом, деформирующим поверхность покрытия одновременно с пропусканием высокочастотных импульсов разряда тока через упрочняющий элемент в зону обработки к поверхности покрытия, обеспечивая интенсификацию процесса диффузионного массопереноса через границу раздела покрытие-подложка. После чего эти образцы были подвергнуты испытаниям на адгезионную прочность методом сдвига.

Параметры обработки образцов с покрытием по заявляемому способу представлены в табл. 1. Результаты испытаний образцов, обработанных по заявляемому и известному способам, представлены в табл. 2.

Таблица 1 - Параметры обработки образцов с покрытием по заявляемому способу Параметры образца Значение параметра Образец 1 Образец 2 Образец 3 Частота колебаний наконечника волновода перед напылением, кГц 25 25,5 26 Амплитуда колебаний наконечника волновода перед напылением, мкм 20 40 60 Скорость перемещения наконечника волновода перед напылением, м/мин 0,5⋅10^-3 0,75⋅10^-3 1⋅10^-3 Усилие прижима упрочняющего элемента финишной ультразвуковой обработки, Н 600 700 800 Частота колебаний упрочняющего элемента финишной ультразвуковой обработки, кГц 25 25,5 26 Амплитуда колебаний упрочняющего элемента финишной ультразвуковой обработки , мкм 10 15 20 Линейная скорость перемещения пятна деформации упрочняющего элемента финишной ультразвуковой обработки , м/мин 0,5⋅10^-3 0,75⋅10^-3 1⋅10^-3 Частотой импульсных разрядов, сопровождающих финишную ультразвуковой обработки, кГц 25 25,5 26 Плотность тока разрядов, сопровождающих финишную ультразвуковой обработки, А/см² 1⋅10⁵ 2⋅10⁵ 3⋅10⁵ Длительность разрядов тока, сопровождающих финишную ультразвуковой обработки, с 1⋅10^-5 1,5⋅10^-5 2⋅10^-5

Таблица 2 - Результаты испытаний образцов, обработанных по известному и заявляемому способам Наименование показателя Наименование образцов, обработанных по известному и заявляемому способам Образец, обработанный по известному способу Образцы, обработанные по заявляемому способу Пример 1 Пример 2 Пример 3 Oтносительная пористость, % 0,42 0,38 0,33 0,31 Адгезионная прочность, МПа 53,8 60,7 65,6 68,4

Таким образом, из приведенных примеров следует, что предложенный способ нанесения покрытий на внутреннюю поверхность полых деталей электрическим взрывом проводника обеспечивает повышение физико-механических свойств детали за счет повышения адгезионной прочности между покрытием и подложкой на 15-20% в сравнении с аналогом и снижение пористости покрытия на 7-19% как в покрытии, так и вдоль границы раздела покрытия-подложка и, как следствие, повышению когезионной прочности, то есть задача создания изобретения выполняется.

Изобретение относится к способу получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника. Проводят ультразвуковую обработку внутренней поверхности полой детали наконечником волновода через абразивную суспензию при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм, линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5⋅10^-3-1⋅10^-3 м/мин, с последующими обезжириванием и травлением обрабатываемой внутренней поверхности полой детали. Осуществляют электрический взрыв проводника с нанесением продуктов электрического взрыва проводника в виде слоя получаемого покрытия на внутреннюю поверхность полой детали. Проводят последующую ультразвуковую обработку упрочняющим элементом в виде наконечника волновода, деформирующего поверхность упомянутого нанесенного слоя, одновременно с пропусканием высокочастотных импульсных разрядов тока с частотой 25-26 кГц, импульсами тока плотностью 1⋅10⁵-3⋅10⁵ А/см² и длительностью 1⋅10^-5-2⋅10^-5 с через наконечник волновода в зону обработки к поверхности нанесенного слоя получаемого покрытия. Обеспечивается повышение адгезионной прочности между покрытием и внутренней поверхностью полой детали. 2 табл., 1 пр.

Способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника, включающий осуществление электрического взрыва проводника с нанесением продуктов электрического взрыва проводника в виде слоя получаемого покрытия на внутреннюю поверхность полой детали, отличающийся тем, что перед нанесением слоя получаемого покрытия проводят ультразвуковую обработку внутренней поверхности полой детали наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы по твердости не менее чем на 1 единицу выше по шкале Мооса, чем твердость материала обрабатываемой внутренней поверхности полой детали, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм, линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5⋅10^-3-1⋅10^-3 м/мин, с последующими обезжириванием и травлением обрабатываемой внутренней поверхности полой детали, а после нанесения слоя получаемого покрытия посредством упомянутого электрического взрыва проводника проводят последующую ультразвуковую обработку упрочняющим элементом в виде наконечника волновода, деформирующего поверхность упомянутого нанесенного слоя при усилии прижима 600-800 Н, частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде колебаний 10-20 мкм и линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5⋅10^-3-1⋅10^-3 м/мин, одновременно с пропусканием высокочастотных импульсных разрядов тока с частотой 25-26 кГц, импульсами тока плотностью 1⋅10⁵ -3⋅10⁵ А/см² и длительностью 1⋅10^-5-2⋅10^-5 с через наконечник волновода в зону обработки к поверхности нанесенного слоя получаемого покрытия.