Способ нанесения покрытий из тугоплавких неорганических материалов

 

Использование: производство и ремонт машин и механизмов, синтез новых материалов . Сущность способа: на поверхность изделия 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)я В 22 F 7/04, С 23 С 4/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4832107/02 (22) 29.05,90 (46) 07,01,93, Бюл. N. 1 (71) Институт структурной макрокинетики

АН СССР (72) Б,А,Веприк, М.B.Êóðûëåâ, Э.А.Штессель и И,В.Петров (56) Борисов Ю.С. и др, Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник. Киев; Наукова думка, 1987, с.82 — 84, Авторское свидетельство СССР

N 206269, кл, С 23 С 4/00, 1966.

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 термореагирующий 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 (10 — 10 с). При этом повышается теплосодержание напыляемого материала и улучшаются тепловые условия формирования покрытия. Недостатком указанного способа является сложность и тру. Ы» 1785819 А1 (54) СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ И3

ТУГОПЛАВКИХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: производство и ремонт машин и механизмов, синтез новых материалов, Сущность способа: на поверхность изделия одновременно двумя или несколькими плазменными струями наносят компоненты химически реагирующей смеси. Струи ориентируют в пространстве так, чтобы химическая реакция происходила на поверхности иэделия или вблизи нее.

При введении в плазменные струи алюминия и оксида хрома (1II) процесс ведут в режиме горения, 1 з,п, ф-лы, 1 табл. доемкость 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

1785819 пожаровзрывоопасность при работе с экзотермическими смесями.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ нанесения металлокерамических 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 плаэмотронов, а также вводиться в струю плазмы в разных местах. Kepa-. ический компонент в последнем случае вводят B 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 плазмотронами, если не соблюдены определенным образом условия фокусировки. .Целью изобретения является повышение качества покрытий за счет снижения их пористости и увеличения адгезии при одновременном снижении пожаровзрывоопасности 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.

15

25

50

Физико-химическая сущность предлагаемого способа нанесения плазменных покрытий заключается в протекании

СВС-реакции в покрытии в процессе его

5 формирования из отдельных расплавленных частиц компонентов, напыляемых на подложку одновременно различными плазменными струями, Реализация акта химического превращения требует выполнения, по крайней мере, двух важнейших необходимых условий— перемешивания реагентов и наличия развитой поверхности физического контакта реагентов.

Использование независимой подачи реагентов в различные плазменные струи обусловлено различными теплофизическими характеристиками реагирующих компонентов и как следствие этого необходимостью индивидуального выбора энергетических режимов напыления для каждого из них. Кроме того, независимая подача в отдельные плазменные струи позволяет в широком диапазоне менять массовое соотношение реагентов в образующейся на поверхности изделия реакционноспособной смеси и тем самым, управляя химической реакцией, получать покрытия с заданными свойствами, в частности, пористостью и адгезией.

Расположение фокуса плазменных струй ниже поверхности детали соответствует частичному, а не полному перекрыванию пятен напыления на поверхности изделия. Удаление фокуса плазменных струй от поверхности приводит к резкому усилению взаимного отталкивания скрещенных струй, В обоих случаях соотношение реагентов в реакционноспособной смеси на поверхности изделия не соответствует массовому соотношению напыляемых компонентов, Неполное смешение затрудняет протекание реакции химического превращения, поэтому адгезионная прочность снижается, а пористость увеличивается, B случае расположения фокуса плазменных струй на поверхности изделия или вблизи нее плазменное покрытие представляет собой хорошо перемешанный, плотно упакованный слой реагентов с развитой поверхность их физического контакта, С учетом коэффициентов использования материалов состав этой реакционноспособной смеси соответствует исходному массовому соотношению компонентов, Таким образом, в напыленном покрытии создаются наиболее благоприятные условия для протекания экзотермического синтеза с максимально возможным тепловыделением непосредственно на поверхности изделия.

1785819

Вместе с тем напыление по предложенному способу химически инертных компонентов с целью формирования покрытия, фазовый состав которого аналогичен синтезированному из соответствующих термореагирующих 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.

Пример 1. Проводили напыление кермета на изделие. В качестве реагирующих компонентов использовали оксид хрома (III) марки ОХ-4 и алюминий марки АПВ.

Соотношение реагентов варьировали в широком диапазоне: оксид xpoMa (lli) 30 — 75 мас., алюминий 25 — 70 мас. . 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 постоянной 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 пористости 1-65, В процессе плазменного напыления наблюдалось характерное для процессов СВС свечение напыляемого слоя покрытия.

Другие примеры выполнения представлены 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 компонентами служили инертные материалы, оксид алюминия и хром, в широком диапазоне составов. В примере 5 по предложенномуспособу напыляли металлические термореагирующие материалы, образующие другой класс соединений — интерметаллиды.

В примере 6 показана зависимость адгезионной 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 (II !) с алюминием, относящихся к керметам, и никеля с алюминием, образующих при взаимодействии интерметаллиды, повышает качество покрытия за счет увеличения адгезионной прочности и уменьшения общей пористости.

При напылении кермета оксид хромаалюминий областью составов, обеспечивающих достаточно высокие эксплуатационные свойства — пористость и адгезию, является, мас. :

Алюминий 25-70

Оксид хрома (! I1) 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 и роцесса, 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, от л и ч а ю шийся тем, что в плазменные струи вводят алюминий и оксид хрома (III) при следующем соотношении компонентов, мас. ; алюминий 25-70 оксид хрома (! II) 30 — 75 а химическую реакцию проводят в режиме горения.

1785819

П ри меча н ие

Общая пористость, %

Расположение фокуса относител ьно поверхности

Прочность сцепления гт Мпа *) Пример Компонен Компонент

26- 35

1-6

На поверхности

Алюминий

25-70

22-25

4-8

То же

Алюминий

20-24

8- 10

Алюминий

18- 24

6- 12

Хром

5 75

* Адгезионная прочность определена по штифтовой методике. Диаметр пятна напыления (25 мм).

Редактор С.Кулакова

Заказ 215 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 хро11)

30 75

Оксид хромa (!11)

Оксид хрома (I I I)

Оксид алюСоставитель М.Курылев

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор М.Ткач

Свечение напыляемого слоя

Свечение слоя не наблюдалось

Свечение слоя не наблюдалось

Свечение слоя не на