Способ получения композиционного порошкового материала для нанесения функциональных покрытий с высокой износостойкостью Российский патент 2024 года по МПК B22F1/18 B22F1/14 C23C4/04 

Изобретение относится к области получения композиционных порошковых материалов для создания износостойких функциональных покрытий.

Известны способы получения композиционных порошков для создания покрытий с высокими эксплуатационными свойствами. Это патент RU №2382690 от 27.02.2010 г., патент RU №2462526 от 27.09.2012 г., патент RU №2561615 от 04.08.2015 г., патент RU №2263089 от 25.02.2004 г., патент RU №2298450 от 07.06.2005 г., патент RU №2246379 от 25.02.2004 г.

За прототип выбран способ получения композиционного материала системы металл-керамика износостойкого класса по патенту RU 2460815 от 10.09.2012 г. Согласно этому патенту получают порошок путем обработки его в высокоскоростном дезинтеграторе с помощью двух роторов с измельчающими элементами, изготовленными из плакирующего материала твердостью ниже твердости материала матричной основы порошка. Таким образом, плакирующий слой «намазывается» на твердую матрицу, достигая степени плакирования порошка до 65%.

Недостатком известных способов получения композиционных порошков, в т.ч. и сплава-прототипа, является низкая микротвердость и соответственно низкая износостойкость покрытий из этих порошков п_г и воздействии динамических нагрузок. Микротвердость при этом не превышает 15-200 HV, а адгезионная прочность - 30 МПа.

Современное прецизионное машиностроение предъявляет высокие требования к этим параметрам: например, для пар трения водозаборной арматуры микротвердость не ниже 900 HV, а адгезионная прочность не ниже 200 МПа.

Техническим результатом данного изобретения является создание способа получения композиционного порошкового материала с керамической матрицей, плакированной пластичным металлическим материалом, поверхность которого армирована наноразмерными керамическими частицами с высокой микротвердостью для нанесения функциональных покрытий с высокой микровердостью 1050-1100HV и износостойкостью до 1,4×10^-9 мм/км.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционного порошкового материала сначала получают порошок из керамического материала, плакированного металлическим пластификатором путем обработки керамического порошкр в дезинтеграторе с помощью роторов с измельчающими элементами из более мягкого материала, чем обрабатываемый керамический порошок. Затем полученный таким образом плакированный порошок повторно обрабатывают в другом дезинтеграторе совместно с наноразмерным керамическим порошком с высокой микротвердостью. В результате такого механосинтеза получают композиционный порошок, состоящий из керамической матрицы, плакированной металлическим пластификатором путем обработки керамического порошка в дезинтеграторе с помощью роторов с измельчающими элементами из более мягкого материала, чем обрабатываемый керамический порошок. Затем полученный таким образом плакированный порошок повторно обрабатывают в другом дезинтеграторе совместно с наноразмерным керамическим порошком с высокой микротвердостью.

В качестве исходного матричного материала используются порошки с микротвердостью 20,0-20,8 ГПа. Обработку этого порошка для получения плакированного композита производится в дезинтеграторе в среде аргона. Измельчающие элементы роторов дезинтегратора измельчающими элементами из более мягкого материала, чем обрабатываемый керамический порошок. Скорость вращения роторов дезинтегратора в пересчете на линейную скорость составляет от 160 м/с до 180 м/с, при частоте ударов от 7200 до 8000 ударов в секунду. Уменьшение скорости вращения роторов дезинтегратора не позволит получить высокую адгезии плакирующего материла. Увеличение скорости вращения роторов дезинтегратора свыше 180 м/с не рационально, так как приводит к увеличению энергозатрат без дополнительного положительного эффекта. Толщина получение; о плакированного слоя составляет от 4 до 8 мкм.

Далее, полученный таким образом порошок обрабатывают в дезинтеграторе совместно с наноразмерным порошком фракции 40-80 нм и микротвердостью 32-34,8 ГПа, скорость вращения роторов дезинтегратора при этом составляет 220-280 м/с в пересчете на линейную скорость, при частоте ударов от 10000 уд/с до 12000 уд/с.При скорости вращения роторов дезинтегратора менее 220 м/с не обеспечивается высокая адгезия нанопорошка Увеличение скорости вращения роторов дезинтегратора свыше 280 м/с приводит к увеличению энергозатрат. Использование порошка фракции 40-80 нм позволяет обеспечить покрытие поверхности армированного порошка на 75-80%. Высокая микротвердость наноразмерного порошка обеспечивает высокую микротведость покрытия 1050-1100HV и износостойкость покрытия до 1,4×10^-9 мм/км.

Пример 1:

В качестве исходного матричного материала был выбран порошок карбида вольфрама WC фракции 20-30 мкм с микротвердостью 20,8 ГПа, полученный плазмохимическим методом. Обработку этого порошка для получения плакированного композита производили на дезинтеграторе ДЕЗИ-15 в среде аргона. Измельчающие элементы роторов были изготовлены из пластичного алюминиево-магниевого сплава АМг-6. Скорость вращения роторов в пересчете на линейную скорость составляла 180 м/с при частоте ударов 8000 уд./с. Толщина полученного плакированного слоя, определенная на атомно-силовом микроскопе типа NanoScan, составляла 5-8 мкм.

Полученный таким образом плакированный порошок обрабатывался в дальнейшем на высокоскоростном дезинтеграторе марки В-15 совместно с наноразмерным порошком диборида титана TiB₂ фракции 50-80 нм и микротвердостью 34,8 ГПа. Скорость вращения роторов составляла 280 м/с при частоте ударов 12000 уд./с.Частоту ударов определяли расчетным путем, исходя из скорости вращения роторов, количества ударных элементов и дозированного поступления порошкового материала в рабочую зону дезинтегратора. Покрытая поверхность армированного порошка составляла 80-85%. Напыление с помощью холодного газодинамического напыления (ХГДН) производится из двух автономно работающих дозаторов, в одном из которых находится плакированный, а в другом - армированный порошок. Вначале для получения адгезионного подслоя включается дозатор с плакированным порошком и напыляется слой толщиной 40-60 мкм с высокой адгезионной прочностью с подложкой. Затем этот дозатор отключается и осуществляется напыление функционального слоя с высокой микротвердостью и износостойкостью из второго дозатора.

Композиционный порошок был использован для нанесения функциональных покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления на установке ДИМЕТ-ЗМ с программным управлением с помощью комплекса Kawasaki. Скорость гетерофазного потока, измеренная с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости, составляла 620-650 м/с. В качестве подложки использовали сталь Х15Ю5 в виде ленты шириной 150 мм и толщиной 3 мм. Получено покрытие толщиной 80-100 мкм с микротвердостью 1050-1100 HV. Износостойкость измеряли на специализированной установке УМТ-2168 в условиях сухого трения при экстремальных условиях работы - пуск и остановка двигателя, прекращение подачи смазки при нагрузке 360 н. Установлено, что при таких режимах износостойкость высока и составляет 1,2⋅10^-9 мм/км.

Адгезионная прочность, измеренная с помощью универсальной разрывной машины Instron 1000, также имеет высокие значения и составляет 280-320 МПа.

Пример 2:

В качестве исходного матричного материала использовался белый электрокорунд марки 25А со средним размером частиц 40 мкм с микротвердостью 20,0 ГПа. Обработку этого порошка производили, как в примере 1, на дезинтеграторной установке ДЕЗИ-15. Скорость вращения роторов составляла, в пересчете на линейную скорость, 160 м/с при частоте ударов 7200 уд./с.

Толщина плакированного слоя после обработки на дезинтеграторе составляет 4-6 мкм.

Затем плакированный порошок обрабатывался в дезинтеграторе В-15 совместно с наноразмерным порошком карбида титана TiC с микротвердостью 32,0 ГПа фракции 40-60 нм.

Скорость вращения роторов составляла, в пересчете на линейную скорость, 220 м/с при частоте ударов 10000 уд/с. Покрытая поверхность армированного порошка составляла 75-80%.

Из полученного композиционного порошка на установке ДИМЕТ-3 было нанесено функциональное покрытие. Скорость гетерофазного потока составляла 580-600 м/с. В качестве подложки использовалась лента из нихрома Х20Н80 шириной 100 мм и толщиной 2 мм. Полученное покрытие имеет толщину 100-120 мкм. Микротвердость покрытия составляет 980-1020 HV, а износостойкость составляет 1,4×10^-9 мм/км.

По своим характеристикам полученное покрытие рекомендуется для практического использования. Была изготовлена опытная партия (52 образца) элементов водозапорной арматуры и 40 образцов элементов специальной строительной техники. Испытания прошли успешно.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционного порошкового материала системы керамика-металл. Может использоваться для нанесения износостойких функциональных покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления. Керамический порошок с микротвердостью 20,0-20,8 ГПа обработку в дезинтеграторе при скорости вращения роторов дезинтегратора в пересчете на линейную скорость от 160 м/с до 180 м/с и частоте ударов от 7200 до 8000 уд/с с получением порошка, содержащего плакированную металлом керамическую матрицу. Полученный порошок системы керамика-металл подвергают обработке с наноразмерным керамическим порошком фракции 40-80 нм с микротвердостью 32,0-34,8 ГПа в дезинтеграторе при скорости вращения роторов дезинтегратора 220-280 м/с в пересчете на линейную скорость и частоте ударов от 10000 уд/с до 12000 уд/с. Обеспечивается возможность формирования покрытий с высокой микротвердостью и износостойкостью. 1 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ получения композиционного порошкового материала системы керамика-металл для нанесения функциональных покрытий, включающий обработку керамического порошка в дезинтеграторе с роторами с получением порошка, содержащего плакированную металлом керамическую матрицу, отличающийся тем, что сначала проводят обработку керамического порошка с микротвердостью 20,0-20,8 ГПа в дезинтеграторе с роторами, имеющими измельчающие элементы, изготовленные из плакирующего металлического материала с твердостью ниже твердости обрабатываемого керамического порошка, при скорости вращения роторов дезинтегратора в пересчете на линейную скорость от 160 м/с до 180 м/с и частоте ударов от 7200 до 8000 уд/с с получением порошка, содержащего плакированную металлом керамическую матрицу, после чего полученный порошок системы керамика-металл подвергают обработке с наноразмерным керамическим порошком фракции 40-80 нм с микротвердостью 32,0-34,8 ГПа в дезинтеграторе при скорости вращения роторов дезинтегратора 220-280 м/с в пересчете на линейную скорость и частоте ударов от 10000 уд/с до 12000 уд/с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве плакирующего металла наносят сплавы на основе алюминия.