Способ нанесения покрытий из тугоплавких неорганических материалов Советский патент 1993 года по МПК B22F7/04 C23C4/10 

Изобретение относится к химико-термической обработке материалов и может быть использовано в промышленности при производстве и ремонте деталей машин и механизмов, а также при синтезе новых материалов.

Известен способ нанесения плазменных покрытий из тугоплавких неорганических материалов. Исходным материалом служит тер- мореагирующий композиционный порошок плакированной или конгломератной структуры. Частицы композиционного порошка имеют комплекс всех исходных компонентов, одинаковый химический состав, массу, плотность, теплопроводность и пр. Химическая реакция взаимодействия компонентов начинается во время нахождения частицы в плазменной струе( с). При этом повышается теплосодержание напыляемого материала и улучшаются тепловые условия формирования покрытия. Недостатком указанного способа является сложность и трудоемкость изготовления композиционных порошков, их высокая стоимость (20-60 руб/кг), ограниченная возможность варьирования составом, определяемая технологией их изготовления, а также возможность самовозгорания и взрыва при работе с системами, обладающими сильным экзотермическим эффектом взаимодействия.

Наряду с композиционными порошками в качестве исходного материала используют экзотермические механические смеси. Их применение обусловлено простотой приготовления композиций. Однако это не дает реального улучшения эксплуатационных свойств вследствие сегрегации компонентов при смешивании, транспортировке смеси в струю, а также в процессе самого напыления. Сегрегация приводит к неравномерности структуры покрытия, высокой пористости, снижению адгезии и в ряде случаев эксплуатационных характеристик покрытия.Сохраняется высокая

Ё

VJ |00 СЛ 00

Ю

пожаровзрывоопасность при работе с экзотермическими смесями.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ нанесения метал- локерамических покрытий. Благодаря одновременному разделенному напылению компонентов кермета, становится возможным формирование покрытия с равномерным распределением фаз, Компоненты кермета могут напылять при помощи раздельных плазмотронов, а также вводиться при помощи раздельных плазмотронов, а также вводиться в струю плазмы в разных местах. Керамический компонент в последнем случае вводят в зону с наибольшим теплосодержанием, а металлический - в зону с меньшим теплосодержанием.

Однако известный способ обладает и рядом существенных недостатков. Прежде всего одновременное раздельное напыление компонентов кермета не меняет тепловую природу происходящих на подложке процессов и не приводит к существенному росту адгезионной прочности и снижению пористости формирующегося керметного покрытия. Другим недостатком следует считать пожаровзрывоопасность процесса при напылении термореагирующих компонентов кермета вследствие образования взрывоопасной газовзвеси. Это может происходить в случае подачи материалов в различные точки плазменной струи, так и в случае напыления двумя различными плаз- мотронами, если не соблюдены определенным образом условия фокусировки.

.Целью изобретения является повышение качества покрытий за счет снижения их пористости и увеличения адгезии при одновременном снижении пожаровзрывоопас- ности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в способе нанесения покрытий из тугоплавких неорганических материалов, включающем одновременное плазменное напыление компонентов покрытия на поверхность изделия разными струями, в каждую струю плазмы подают, по крайней мере, один компонент химически реагирующей порошковой смеси, а струи ориентируют так, чтобы химическая реакция происходила на поверхности изделия или вблизи нее.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнение совокупности отличительных признаков - напыление химически реагирующих систем при одновременной раздельной подаче реагентов в различные плазменные струи и ориентировка струй в пространстве так, чтобы фокус их пересечения находился на поверхности изделия или вблизи нее.

Физико-химическая сущность предлагаемого способа нанесения плазменных покрытий заключается в протекании СВС-реакции в покрытии в процессе его формирования из отдельных расплавленных частиц компонентов, напыляемых на подложку одновременно различными плазменными струями,

Реализация акта химического превра0 щения требует выполнения, по крайней мере, двух важнейших необходимых условий - перемешивания реагентов и наличия развитой поверхности физического контакта реагентов.

5 Использование независимой подачи реагентов в различные плазменные струи обусловлено различными теплофизически- ми характеристиками реагирующих компонентов и как следствие этого

0 необходимостью индивидуального выбора энергетических режимов напыления для каждого из них. Кроме того, независимая подача в отдельные плазменные струи позволяет в широком диапазоне менять мас5 совое соотношение реагентов в образующейся на поверхности изделия ре- акционноспособной смеси и тем самым, управляя химической реакцией, получать покрытия с заданными свойствами, в част0 ности, пористостью и адгезией.

Расположение фокуса плазменных струй ниже поверхности детали соответствует частичному, а не полному перекрыванию пятен напыления на поверхности

5 изделия. Удаление фокуса плазменных струй от поверхности приводит к резкому усилению взаимного отталкивания скрещенных струй. В обоих случаях соотношение реагентов в реакционноспособной

0 смеси на поверхности изделия не соответствует массовому соотношению напыляемых компонентов. Неполное смешение затрудняет протекание реакции химического превращения, поэтому адгезионная прочность

5 снижается, а пористость увеличивается.

В случае расположения фокуса плазменных струй на поверхности изделия или вблизи нее плазменное покрытие представляет собой хорошо перемешанный, плотно

0 упакованный слой реагентов с развитой поверхность их физического контакта. С учетом коэффициентов использования материалов состав этой реакционноспособной смеси соответствует исходному массо5 вому соотношению компонентов. Таким образом, в напылением покрытии создаются наиболее благоприятные условия для протекания экзотермического синтеза с максимально возможным тепловыделением непосредственно на поверхности изделия.

Вместе с тем напыление по предложенному способу химически инертных компонентов с целью формирования покрытия, фазовый состав которого аналогичен синтезированному из соответствующих терморе- агирующих компонентов, не дает таких же высоких значений адгезионной прочности и низких значений общей пористости. Прочность сцепления и общая пористость покрытия остаются на уровне значений, характерных для покрытий из индивидуальных материалов.

П р и м е р 1. Проводили напыление кермета на изделие. В качестве реагирующих компонентов использовали оксид хро- ма (III) марки ОХ-4 и алюминий марки АПВ. Соотношение реагентов варьировали в широком диапазоне: оксид хрома (III) 30-75 мас.%, алюминий 25-70 мае.%. Параметры напыления выбирали индивидуально для каждого порошка по коэффициенту его использования и значениям адгезионной прочности покрытия. Фокус плазменных струй располагали на поверхности детали. Толщина покрытий выдерживалась посто- янной и составляла 0,4-0,6 мм.

Нанесенное покрытие представляло собой композиционный материал, содержащий хром и оксид алюминия.

Наилучшие значения адгезионной прочности 30-35 МПа и общей пористости 1-3% получены для составов 50-60 мас.% алюминия и 40-50 мас.% оксида хрома.

Областью составов, обеспечивающих достаточно высокие эксплуатационные свойства - пористость и адгезионную прочность, следует считать 25-70 мас.% алюминия и 30-75 мас.% оксида хрома (III). Для этих составов получены значения адгезионной прочности 26-35 МПа и общей пористо- сти 1-65.

В процессе плазменного напыления наблюдалось характерное для процессов СВС свечение напыляемого слоя покрытия.

Другие примеры выполнения представ- лены в таблице. Примеры 2-5 выполнены согласно примеру 1. В примере 2 алюминий брали в значительном избытке. В примере 3 процесс проводили при существенном избытке оксида хрома. В примере 4 компонен- тами служили инертные материалы, оксид алюминия и хром, в широком диапазоне составов. В примере 5 по предложенному способу напыляли металлические термореагирующие материалы, образую- щие другой класс соединений - интерметал- лиды.

В примере 6 показана зависимость ад- гезиснной прочности и пористости покрытия от фокусного расстояния для одного и того же состава кермета.

Из таблицы видно, что полученное по известному способу покрытие из оксида алюминия и хрома существенно уступает по качеству (адгезии и пористости) аналогичному по составу покрытию, синтезированному по предложенному способу из соответствующих реагентов.

Напыление по предложенному способу термореагирующих материалов, в частности оксида хрома (III) с алюминием, относящихся к керметам, и никеля с алюминием, образующих при взаимодействии интерме- таллиды, повышает качество покрытия за счет увеличения адгезионной прочности и уменьшения общей пористости.

При напылении кермета оксид хрома- алюминий областью составов, обеспечивающих достаточно высокие эксплуатационные свойства - пористость и адгезию, является, мас.%:

Алюминий25-70

Оксид хрома (III)30-75 При этом химическую реакцию проводят в режиме горения.

Плазменное напыление по предложенному способу может быть использовано в промышленности при производстве и ремонте деталей машин и механизмов, а также при синтезе новых материалов.

Формула изобретения

1. Способ нанесения покрытий из тугоплавких неорганических материалов, включающий одновременное плазменное напыление компонентов покрытия на поверхность изделия раздельными струями, отличающийся тем, что, с целью повышения качества покрытий за счет снижения пористости и увеличения адгезии при снижении пожаровзрывоопасности процесса, в каждую струю плазмы подают по крайней мере один компонент химически реагирующей порошковой смеси, а струи ориентируют так, чтобы химическая реакция происходила на поверхности изделия или вблизи нее.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что в плазменные струи вводят алюминий и оксид хрома (III) при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий25-70 оксид хрома (111) 30-75 а химическую реакцию проводят в режиме горения.

)

Адгезионная прочность определена по штифтовой методике.

Диаметр пятна напыления ( 25 мм).

Использование: производство и ремонт машин и механизмов, синтез новых материалов. Сущность способа: на поверхность из- делия одновременно двумя или несколькими плазменными струями наносят компоненты химически реагирующей смеси. Струи ориентируют в пространстве так, чтобы химическая реакция происходила на поверхности изделия или вблизи нее. При введении в плазменные струи алюминия и оксида хрома (III) процесс ведут в режиме горения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.