Способ получения износостойкого покрытия Российский патент 2024 года по МПК B23K26/342 B23K26/352 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам нанесения наноструктурированных и износостойких покрытий из высокоэнтропийных сплавов методом лазерной наплавки.

Известен способ получения композиционных покрытий из порошковых материалов, включающий подготовку обрабатываемой поверхности посредством очистки и последующей лазерной наплавкой порошкового материала в среде инертного газа (Патент на изобретение РФ №2542199, Способ получения композиционных покрытий из порошковых материалов, МПК В23К26/342, от 20.02.2015). В качестве порошкового материала используют смесь из частиц титана и карбида кремния с размером 20-100 мкм в массовом соотношении 6:4 или 6:5. Процесс наплавки осуществляют при мощности лазера 4-5 кВт, скорости сканирования лазерного луча 500-700 мм/мин и расходе порошка 9,6-11,9 г/мин.

Недостатком данного способа является низкая износостойкость покрытия ввиду значительной хрупкости.

Наиболее близким предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения износостойкого покрытия из высокоэнтропийных материалов на детали из стали, включающий послойное нанесение порошкового материала высокоскоростным газоплазменнным напылением в защитной атмосфере аргона (Патент РФ на изобретение №2753636, Способ получения износостойкого покрытия, МПК С23С4/129, от 18.08.2021). Способ включает подготовку поверхности детали перед нанесением порошкового материала, включающую струйно-абразивную обработку частицами корунда, обезжиривание, химическое травление поверхности детали и последующий нагрев поверхности детали токами высокой частоты. Первый адгезионный слой наносят из механически активированного порошка Ni, второй переходный слой из смеси порошков FeNi - TiNi, взятых в равном соотношении. Нанесение третьего слоя осуществляют из высокоэнтропийного сплава FeNiCoAlXB, где примесный компонент представляет собой Ti, Ta, Nb, Cr или W. Полученное композитное покрытие подвергают отжигу.

Высокоэнтропийные сплавы обладают более высокими износостойкими, коррозионными, прочностными свойствами. Твердые растворы на основе пяти и более компонентов стремятся к более устойчивому и микроструктурному состоянию из-за больших энтропий смешения.

Недостатками наиболее близкого к предлагаемому способу является недостаточная прочность износостойкого покрытия особенно в условиях ударного характера эксплуатации, а также высокая трудоемкость осуществления способа.

Технической проблемой в настоящее время является сложность получения высоко износостойкого покрытия, работающего в ударных условиях эксплуатации.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение прочности износостойкого покрытия и упрощение способа нанесения покрытия.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения износостойкого покрытия, включающим нанесение порошкового высокоэнтропийного материала, содержащего никель, кобальт, железо, в атмосфере аргона, согласно предлагаемому решению, высокоэнтропийный материал дополнительно содержит титан, хром, марганец, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

титан 2 - 10; железо 10 - 30; кобальт 10 - 30; хром 10 - 30; никель 10 - 30; марганец 10 - 30; углерод 0,5 - 2,5,

при этом указанный материал наносят лазерной наплавкой при мощности лазера 2,2 - 2,6 кВт, скорости сканирования лазерного луча 12-15 мм/сек, расходе наплавляемого материала 7,5 - 15 г/мин. и диаметре пятна 2,0 - 2,5 мм.

Заданное содержание в предлагаемой композиции титана и хрома позволит образовывать твердые тугоплавкие частицы карбида титана, что в значительной степени повысит износостойкости и ударную вязкость покрытия. Остальные компоненты композиции образовывают высокоэнтропийную металлическую матрицу, которая характеризуется высокой стабильностью, высокими твердостью и прочностью, и при этом (в отличие от карбида титана) высокой адгезией к покрываемому металлу.

Увеличение содержания титана более 10 мас.% приведет к повышению хрупкости покрытия, а снижение его менее 2 мас.% не позволяет достичь требуемой прочности.

Увеличение содержания углерода более 2,5 мас.% приведет к повышению хрупкости покрытия, а снижение его менее 0,5 мас.% не позволяет достичь требуемого упрочнения и снижает твердость покрытия.

Пределы концентраций компонентов высокоэнтропийной матрицы определяются обычными требованиями к высокоэнтропийным сплавам, согласно которым они должны содержать не менее 5 различных компонентов в близких к эквимолярным соотношениях.

Замена газоплазменного напыления лазерной наплавкой с высокой скоростью нанесения покрытия позволит резко сократить количество операций при нанесении покрытия, что снизит трудоемкость их нанесения.

К тому же свойственные лазерной наплавки низкая пористость, хорошая адгезия повысит износостойкость покрытия.

Снижение мощности лазера менее 2,2 кВт приведет к неполному сплавлению порошкового материала с основой, а увеличение его более 2,6 кВт ведет к перемешиванию материала подложки и наплавляемого материала.

Увеличение скорости сканированного луча более 15 мм/сек ведет к изменению химического состава наплавляемого покрытия, что не позволит достичь требуемых свойств покрытия, а снижение этой скорости менее 12 мм/сек не обеспечивает требуемую толщину покрытия.

Увеличение расхода наплавляемого материала более 15 г/мин ведет к перерасходу наплавляемого материала и увеличению пористости, а снижение расхода его менее 7,5 г/мин не обеспечивает требуемые толщину и свойства покрытия.

Увеличение диаметра пятна более 2,5 мм ведет к появлению дефектов на поверхности, а снижение его менее 2,0 мм усложняет технологию доставки материала в зону наплавки.

Предлагаемый способ получения износостойкого покрытия осуществляется следующим образом.

Приготавливают композицию из заявляемых компонентов, перемешивают и подают в зону наплавки с заявляемыми режимами.

Согласно предлагаемому способу были изготовлены три композиции, указанные в таблице.

Таблица 1

Fe, мас.% Ni, мас.% Co, мас.% Cr, мас.% Mn, мас.% Ti, мас.% C, мас.% 1 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 2 0,5 2 21,5 20,5 10 19 21,5 6 1,5 3 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 10 2,5

Методом прямой лазерной наплавки из указанных композиций изготовлены три заготовки образцов для определения ударной вязкости. Заготовки образцов были изготовлены в соответствии с режимами наплавки, указанными в таблице 2.

Таблица 2

№ Мощность лазера, кВт Скорость сканирования, мм/с Расход наплавляемого материала, г/мин Диаметр пятна, мм 1 2,2 12 10 2,0 2 2,4 14 12 2,3 3 2,6 15 13 2,5

В дальнейшем из заготовок с помощью электроэрозионной резки изготовлены образцы для определения ударной вязкости с концентратором вида U в соответствии с ГОСТ 9454-78. Рабочее сечение каждого образца 7,5х8 мм, длина 55 мм. Радиус концентратора R равен 1 мм. Далее образцы подвергали испытаниям на ударную вязкость КСU в соответствии с ГОСТ 9454-78 при температуре 20°С. Испытания показали: для первого образца ударная вязкость составила 60 Дж/см², для второго - 65Дж/см², для третьего образца - 67 Дж/см².

Предлагаемый способ найдет применение при нанесении износостойких покрытий на металлические детали машин и механизмов, работающие при высоких динамических нагрузках.

Изобретение относится к способу получения износостойкого покрытия. Лазерной наплавкой наносят порошковый высокоэнтропийный материал, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: титан 2-10, железо 10-30, кобальт 10-30, хром 10-30, никель 10-30, марганец 10-30, углерод 0,5-2,5. Нанесение лазерной наплавкой указанного материала осуществляют при мощности лазера 2,2-2,6 кВт, скорости сканирования лазерного луча 12-15 мм/с, расходе наплавляемого материала 7,5-15 г/мин и диаметре лазерного пятна 2,0-2,5 мм. Обеспечивается повышение прочности износостойкого покрытия и упрощение способа нанесения покрытия. 2 табл.

Способ получения износостойкого покрытия, включающий нанесение порошкового высокоэнтропийного материала, содержащего никель, кобальт и железо, в атмосфере аргона, отличающийся тем, что высокоэнтропийный материал дополнительно содержит титан, хром, марганец и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

титан 2-10 железо 10-30 кобальт 10-30 хром 10-30 никель 10-30 марганец 10-30 углерод 0,5-2,5,

при этом указанный материал наносят лазерной наплавкой при мощности лазера 2,2-2,6 кВт, скорости сканирования лазерного луча 12-15 мм/с, расходе наплавляемого материала 7,5-15 г/мин и диаметре лазерного пятна 2,0-2,5 мм.