Способ нанесения защитных покрытий на металлы

 

Изобретение относится к нанесению защитных покрытий на металлы, в частности титан, цирконий, тантал, алюминий, железо в режиме электрических разрядов для защиты изделий от высокотемпературных воздействий газовых потоков и расплавленных металлов и может использоваться в машиностроении и линейном производстве. Способ нанесения защитных покрытий на металлы включает обработку в электролите в режиме электрических разрядов при наложении чередующихся импульсов: через 1-5 положительных импульсов 1-100 отрицательных импульсов с амплитудой напряжения импульсов обеих полярностей 50-1500 В, при этом скважность подачи импульсов задают равной 2-50 при длительности импульсов 0,1-50 мс. При обработке в щелочных электролитах отношение амплитуды напряжения положительных импульсов к амплитуде напряжения отрицательных импульсов задают равной 1-30, при обработке в кислых и нейтральных электролитах - 0,1-20. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к нанесению защитных покрытий на металлы, такие, как титан, цирконий, тантал, алюминий, железо, в режиме электрических разрядов для защиты изделий от высокотемпературных воздействий газовых потоков и расплавленных металлов. Изделия с такими покрытиями могут использоваться в машиностроении и литейном производстве.

Наиболее распространенными способами нанесения покрытия являются четыре метода защиты: газоплазменное и плазменное напыление, твердое анодирование и электрофорез. Первые два метода [1] характеризуются тем, что газовым потоком ускоряют мелкодисперсный порошок, при этом частицы проходят через пламя или плазму, плавятся и с большей скоростью направляются на покрываемую поверхность. Но у этих методов имеются недостатки: неоднородность покрытия по толщине, трудоемкость нанесения покрытия на поверхность сложной конфигурации и плохая адгезия покрытия к основе при толщине более 200 мкм.

Известен также третий метод [2] нанесения теплостойкого покрытия это электрохимическое окисление металла в сернокислом электролите при температуре от 6 до +2^oC. Недостатком этого метода является большая длительность процесса: за 3-4 ч наносится покрытие толщиной 200-300 мкм, причем 300 мкм является предельной толщиной.

Четвертый метод это электрофоретическое нанесение мелкодисперсного порошка в жидких средах. Процесс длится 1-5 мин, но образующаяся пленка покрытия характеризуется слабым сцеплением частиц между собой, поэтому полученное покрытие предварительно сушат, а затем пропитывают жидким стеклом с последующим обжигом, это приводит к снижению теплостойкости покрытия. Кроме перечисленных имеются методы микродугового и дугового оксидирования металлов.

Из имеющихся аналогов наиболее близким по технической сущности является способ оксидирования металлов и их сплавов [3] при напряжении 100-1000 В в электролитах. Процесс ведут в режиме однополупериодного напряжения с наложением через задаваемое количество 5-500 положительных полупериодов одного отрицательного с регулируемой амплитудой в интервале 50-500 B.

Процесс образования покрытия при переходе в дуговую область идет на ранних стадиях развития разряда, после чего одновременно с ростом покрытия идет его оплавление, что резко снижает теплостойкость покрытия. Заданный коэффициент пульсации положительного напряжения позволяет увеличить время выхода разряда в стационарный режим, а наложенный отрицательный полупериод напряжения сокращает время горения дуговых разрядов способствует перемещению их по поверхности детали, это позволяет регулировать толщину покрытия, его пористость и макроструктуру, но при этом покрытие получается однослойное. Таким образом, недостатками известного способа являются: получение однослойных покрытий, недостаточная толщина (до 1000 мкм), недостаточная теплостойкость покрытия (до 30 циклов при температуре 1000^oC).

Задачей изобретения является образование многослойных покрытий и расширение их функциональных возможностей за счет повышения их теплостойкости и толщины, а также понижение энергоемкости процессов нанесения покрытий.

Задача решается тем, что в известном способе нанесения защитных покрытий на металлы в режиме электрических разрядов, включающем чередование импульсов тока положительной и отрицательной полярности, процесс проводят с наложением через 1-5 положительных импульсов 1-100 отрицательных с амплитудой напряжения импульсов обеих полярностей 50-1500 В, при этом скважность подачи импульсов задают равной 0-50 при длительности импульсов 0,1-50 мс, а также тем, что в щелочных электролитах отношение амплитуды положительных импульсов к амплитуде отрицательных импульсов задают равной 1-50.

Задача решается тем, что в кислых и нейтральных электролитах отношение амплитуды положительных импульсов к амплитуде отрицательных задают равной 0,1-20.

Отличительными от прототипа признаками являются: проведение процесса с наложением через задаваемое количество 1-5 положительных полупериодов 1-100 отрицательных; регулируемая амплитуда импульсов обеих полярностей 50-1500 В; скважность подачи импульсов задают в интервале 0-50 при длительности импульсов 0,1-50 мс; отношение амплитуд импульсов, составляющее 1-50 для щелочных электролитов и 0,1-20 для кислых и нейтральных электролитов.

Указанные признаки являются существенными, т.к. позволяют провести качественный переход процесса на другой уровень и обладают новизной, т.к. не были обнаружены при просмотре литературы.

Эксперименты проводились на установке, на которой можно варьировать положительным напряжением от 50 до 1500 В при токе от 1 до 100 А. Напряжением отрицательных импульсов можно варьировать также в интервале 50-1500 В и токе 1-100 А. Отрицательные импульсы можно подавать через 1-5 положительных импульсов.

Процесс проводился в электролитической ванне емкостью 300 л, которая сделана из нержавеющей стали. Электролитическая ванна снабжена охлаждающей рубашкой, охлаждение осуществляется холодной проточной водой из водопроводной сети. Рабочий электролит представлял собой щелочные, нейтральные и слабокислые растворы. Порядок проведения процесса заключался в следующем: деталь площадью 2 дм² на алюминиевой подвеске погружалась в электролит. В качестве второго электрода использовался корпус ванны. Для образования предварительной пленки на детали поднимали напряжение до 300 В без подачи отрицательных импульсов напряжения. В дальнейшем процесс продолжали с подачей отрицательных импульсов.

Режим процесса. Варьированием амплитудных значений напряжения положительных и отрицательных импульсов задают фиксируемые анодную и катодную плотности тока на покрываемом изделии. Длительность процесса ведут по факту времени достижения необходимой толщины покрытия при фиксированных токах или по параметрам амплитудных значений напряжения положительных и отрицательных импульсов соответствующих требуемой толщине покрытия.

В зависимости от состава электролита, состава материала изделия, токового режима и требований к составу и качеству покрытия, плотности тока могут задаваться в интервале от 0,5 до 40 А/дм².

Эксперименты были проведены в щелочных электролитах, например, КОН, нейтральных типах, как Na₆P₆O₁₂ сернокислый алюминий, жидкое стекло и в кислых, например, в фосфорной кислоте. Покрывались следующие металлы: титан в натрии фосфорнокислом, цирконий в щелочи КОН, тантал в фосфорной кислоте, алюминий- в щелочи КОН и железо в жидком стекле Na₂SiO₃ при этом, как уже указывалось, варьировались: напряжение положительных импульсов (от 760 до 1500 В), отрицательных от 400 до 1300 В, длительность положительных и отрицательных импульсов от 0,1 до 0,8 мс, скважность импульсов от 0 до 30. Толщина полученных покрытий составляла от 300 мкм (на цирконии) до 2000 мкм (на титане, на тантале). Были получены многослойные покрытия, как на тантале из оксидов тантала Ta₂O₅ и алюминия Al₂O₃. Качество полученных покрытий проверялось на теплостойкость в плазмотронах с парогазовым потоком при температуре 1000 ^oC покрытия выдержали, например, на алюминии до 4000 циклов нагрева. Расход электроэнергии составлял в зависимости от токовых режимов и состава электролита в 1,5-4 раза меньше, чем в прототипе, что значительно ниже, чем в прототипе. Улучшения качества покрытий (повышение толщины, теплостойкости и многослойности) удалось добиться благодаря подбору параметров процесса. Все данные сведены в таблицу. Промышленная применимость иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Процесс нанесения эрозионностойкого защитного покрытия проводили в электролите содержащем 90 г/л жидкого стекла при модуле 2,8 на цирконии. Варьированием амплитуды напряжений положительных и отрицательных импульсов поддерживали гальваностатический режим процесса при анодной плотности тока 20 А/дм² и катодной 18 А/дм². Чередование импульсов задавали на 2 положительных 3 отрицательных. Длительность импульсов задавали по 5 мс при скважности 0.

Время процесса составило 21 мин, при этом на изделии сформировалось покрытие толщиной 400 мкм и состояло из двух слоев верхнего пористого толщиной 280 мкм и внутреннего плотного толщиной 120 мкм, покрытие выдерживало 1200 циклов нагрева до 1000^oC. Расход электроэнергии составил 0,05 кВт·ч на 1 дм² поверхности.

Формула изобретения

1. Способ нанесения защитных покрытий на металлы, включающий обработку в электролите в режиме электрических разрядов при наложении чередующихся импульсов тока положительной и отрицательной полярности, отличающийся тем, что обработку проводят при наложении через 1 5 положительных импульсов 1 100 отрицательных импульсов с амплитудой напряжения импульсов обеих полярностей 50 -1500 В, при этом скважность подачи импульсов задают равной 2 50 при длительности импульсов 0,1 50 мс.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обработке в щелочных электролитах отношение амплитуды напряжения положительных импульсов к амплитуде напряжения отрицательных импульсов задают равной 1 30.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обработке в кислых и нейтральных электролитах отношение амплитуды напряжения положительных импульсов к амплитуде напряжения отрицательных импульсов задают равной 0,1 - 20,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1