Способ получения функциональных антифрикционных покрытий для подшипниковых сопряжений турбокомпрессоров ДВС на основе металлокерамических соединений с низким коэффициентом трения Российский патент 2024 года по МПК C23C26/00 B23K26/342 

Область техники

Изобретение относится к способам нанесения керамических антифрикционных покрытий, а именно карбонитрдных антифрикционных покрытий из порошковых композиций, посредством их короткоимпульсной лазерной наплавки на вал ротора турбокомпрессора ДВС. Заявленный способ может быть использован для повышения физико-механических свойств функциональных поверхностей и их восстановления при ремонте, которые в свою очередь эксплуатируются при повышенных усталостных, износных, термоциклических нагрузках, работают в условиях масляного голодания и граничного трения.

Уровень техники

Известен способ формирования покрытия и установка для его осуществления. (RU № 2497978 C2, МПК C23C 24/08, B22F 3/105 от 22.07.2011.) На рабочей поверхности изделия формируют покрытие посредством последовательно послойного нанесения жидкоподвижной порошковой суспензии на поверхность обрабатываемой части изделия и сканирования ее лазерным лучом. В камеру установки для сканирования через сальник вводят часть изделия для формирования на ней покрытия. Заливают суспензию в камеру до погружения изделия в нее на 2/3-3/4 диаметра. Посредством автоматического управления с помощью привода изделия поворачивают так, что покрытая суспензией краевая полоса оказывается в верхней части в зоне лазерного излучения. Сканируют первую полосу в продольном относительно изделия направлении, затем выполняют поворот на ширину полосы с учетом перекрытия полос и сканируют вторую полосу в обратном направлении и далее до достижения намеченной толщины покрытия. Суспензию используют следующего состава в мас.%: углеродосодержащий жидкий материал (С7Н1 4, CCLI4) - 30-50; медь порошкообразная с дисперсностью частиц 0,5-1,5 мкм - 0,8-3; графитовый порошок - 0,4-0,6; карбонильное железо порошок марки Р-100 с дисперсностью 50-800 нм - остальное. Частицы с дисперсностью 50-300 нм составляют не менее 50%.

Недостатком данного способа является высокое содержание в составе порошковой композиции материала с содержанием углерода, что характерно для сверхтвердых покрытий, но использование покрытия с такими характеристиками в условиях высоких знакопеременных динамических нагрузок в подшипниковом сопряжении турбокомпрессора может привести к отслоению покрытия, а так же его разрушению, особенно из за воздействия частых термических изменений, которые испытывает вал ротора ТКР. Такие дефекты не допустимы, так как это приводит к появлению задиров на поверхности деталей и дальнейшему износу подшипникового сопряжения и его разрушению.

Известен способ получения стойкого композиционного покрытия на металлических деталях. (RU № 2752403 C1, МПК C23C 30/00, C23C 24/08, C23C 4/12 от 16.09.2020.) Изобретение может быть использовано для восстановления и упрочнения деталей машин и инструмента. Способ включает внесение в зону лазерного воздействия порошковой композиции системы Fe-Ni-Cr-Si, легированной бором, ниобием и медью, дисперсностью 60-100 мкм и непрерывную наплавку в контролируемой газовой среде аргона с азотом при мощности лазера 1,8-2 кВт. Техническим результатом изобретения является повышение твердости поверхностного слоя до уровня ≥1400 HV при достижении прочности покрытия 650 МПа на глубину до 1,2 мм за счет формирования железо-никелевой металлической основы с равномерным распределением сложных карбидообразующих включений и устойчивых фаз, повышающих адгезию и твердость покрытия.

Недостатком данного способа является трудность или даже невозможность управления процессом для формирования слоя заданной структуры в диапазоне «плотность - пористость» и равномерной толщины по всей площади, особенно это характерно для тел вращения типа вала ротора турбокомпрессора. Так же довольно трудоемким процессом является обеспечение равномерной подачи порошка в зону спекания.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения антифрикционного керамического покрытия с низким коэффициентом трения на поверхности вала турбокомпрессора.

Задачи, решаемые настоящим способом:

Повышение и улучшение эксплуатационных характеристик турбокомпрессора ДВС при восстановлении или модернизации вала ротора, предлагаемым способом, а конкретно:

- увеличение межремонтного ресурса турбокомпрессора, времени выбега вала ротора;

- повышение износостойкости, термопрочности подшипникового сопряжения;

- снижение коэффициента трения подшипникового сопряжения, времени воздействия эффекта «турбоямы»;

- улучшение технико-экономических показателей при эксплуатации;

- увеличение надежности и эффективности как самого турбокомпрессора, так и ДВС, вместе с которым он эксплуатируется.

Эти задачи решаются методом нанесения покрытия на поверхность вала турбокомпрессора путем короткоимпульсной лазерной наплавки порошковой композиции в виде суспензии внутри герметичной защитной камеры. Перед этим проводят предварительную механическую обработку зоны наплавки на станке круглошлифовального типа 3У131. В последующем (см. фиг. 1) вал турбокомпрессора 1 погружается на глубину 3/4 от диаметра в порошковую суспензию 7 внутри специальной защитной камеры 3, заполненной аргоном. Ролик 5, за счет вращения относительно вала турбокомпрессора 1 на заданном расстоянии, выравнивает поверхность обмазки на валу турбокомпрессора 1 после каждого его поворота. При достижении области вала 1 с нанесенной обмазкой в зону действия лазерного луча 6 производится короткоимпульсная лазерная обработка по заранее установленным режимам, что приводит к сплавлению порошковой обмазки с валом турбокомпрессора 1. Поворот вала турбокомпрессора 1 осуществляется при помощи интегрированного в лазерную установку шагового электродвигателя 8. После оплавления покрытие подвергается очистке и механической обработке в виде алмазного выглаживания поверхности с последующей шлифовкой до номинального размера и полировкой. Для формирования покрытия используют порошковую композицию следующего состава (по массе):

а) Нитрид бора ВN – 40 %;

b) Карбид бора В₄С – 37 %;

с) Оксид лития LiOH – 23 %;

Предлагаемое техническое решение позволяет получать покрытия с высокой изностойкостью и низким коэффициентом трения.

Список источников, принятых во внимание при составлении заявки

1. RU № 2214897 C2 Российская Федерация, МПК B23P 6/00. способ восстановления изношенных шеек роторов турбокомпрессоров : № 2002101342/02 : заявл. 10.01.2002 : опубл. 27.10.2003 / В. В. Вашковец, А. С. Сипин ; заявитель Хабаровский государственный технический университет.

2. Патент № 2497978 C2 Российская Федерация, МПК C23C 24/08, B22F 3/105. Способ формирования покрытия и установка для его осуществления : № 2011130871/02 : заявл. 22.07.2011 : опубл. 10.11.2013 / А. Г. Ипатов, С. М. Стрелков, С. С. Стрелков, Е. В. Харанжевский ; заявитель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия".

3. Патент № 2752403 C1 Российская Федерация, МПК C23C 30/00, C23C 24/08, C23C 4/12. Способ получения стойкого композиционного покрытия на металлических деталях : № 2020130409 : заявл. 16.09.2020 : опубл. 27.07.2021 / С. П. Оплеснин, С. Е. Крылова, В. А. Завьялов [и др.] ; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Технология".

Изобретение относится к способу формирования антифрикционного керамического покрытия на поверхности стального изделия в виде вала ротора турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания. Проводят механическую обработку, наносят порошковую суспензию, выравнивают ее прокатным валиком и осуществляют лазерную короткоимпульсную наплавку указанной суспензии. Упомянутая порошковая суспензия содержит порошковую композицию, содержащую нитрид бора – 40 мас.%, карбид бора – 37 мас.% и оксид лития – 23 мас.%. Обеспечивается получение антифрикционного керамического покрытия на поверхности указанного вала, что приводит к повышению времени выбега вала, увеличению интенсивности его раскручивания, снижению эффекта турбоямы и времени его продолжительности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования антифрикционного керамического покрытия на поверхности стального изделия в виде вала ротора турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, включающий проведение механической обработки, нанесение порошковой суспензии и ее лазерную короткоимпульсную наплавку, отличающийся тем, что нанесенную порошковую суспензию выравнивают прокатным валиком, при этом порошковая суспензия содержит порошковую композицию, содержащую, мас.%

нитрид бора 40 карбид бора 37 оксид лития 23

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после упомянутой наплавки проводят алмазное выглаживание.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое антифрикционное покрытие имеет коэффициент трения 0,03-0,09.