Порошковая композиционная смесь для лазерной наплавки на металлическую подложку
Владельцы патента RU 2542922:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") (RU)
Изобретение относится к композиции, применяемой в технологии лазерной наплавки покрытий на металлическую подложку, и может быть использовано в инструментальном производстве при изготовлении и ремонте деталей технологической оснастки и инструмента. Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение равномерного распределения твердых включений по объему покрытия за счет синтеза карбида титана, что в итоге позволяет улучшить качество покрытия, а именно увеличить его твердость и износостойкость. Порошковая композиционная смесь для лазерной наплавки на металлическую подложку включает порошки из титана и карбида кремния с размером частиц 20-100 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: титан - 5-7; карбид кремния - 3-6. Частицы порошка титана могут быть выполнены в виде сфер. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к композиции, применяемой в технологии лазерной наплавки покрытий на металлическую подложку, и может быть использовано в инструментальном производстве при изготовлении и ремонте деталей технологической оснастки и инструмента.
Из уровня техники известно покрытие для деталей из углеродистой или нержавеющей стали или сплавов, выбранных из группы: титановых, магниевых и алюминиевых, или бронз, или включающее армирующие неметаллические дисперсные частицы агломерированного карбида вольфрама с фракцией 80,0-150,0 мкм и металлические частицы кобальта В3К фракцией 53-106 мкм. Данное покрытие наносят посредством лазерной наплавки (RU 2011141951 А, 27.04.2013).
Недостатком описанного технического решения является неравномерное распределение твердости по поверхности покрытия.
Кроме того, из уровня техники известно техническое решение, характеризующее порошковую композиционную смесь для лазерной наплавки на металлическую основу, принятое в качестве прототипа, как наиболее близкое по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату. Смесь включает следующие компоненты в массовых %: смесь двух-трех порошков карбидов - 10÷80, выбранных из карбида титана (TiC), карбида ванадия (VC) и/или карбида вольфрама (WC); порошковую металлическую основу - 20÷90, которая включает никель (Ni), железо (Fe), и/или кобальт (Со) (DE 102005020611 A1, 16.11.2006).
Недостатком указанного покрытия из известного состава является его низкое качество: трещины, поры за счет неравномерного распределения карбидных включений по объему покрытия в процессе лазерной наплавки и возникновения высоких остаточных напряжений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение равномерного распределения твердых включений по объему покрытия за счет синтеза карбида титана, что в итоге позволяет улучшить качество покрытия, а именно увеличить его твердость и износостойкость (отсутствие пор и трещин).
Указанный технический результат достигается посредством того, что порошковая композиционная смесь для лазерной наплавки на металлическую подложку, согласно изобретению, включает порошки из титана и карбида кремния в следующем соотношении компонентов, масс.ч.:
титан - 5-7;
карбид кремния - 3-6,
при этом размер частиц порошка 20-100 мкм.
Частицы порошка титана могут быть выполнены в виде сфер.
В процессе осуществления изобретения готовят порошковую композиционную смесь, включающую порошки из титана и карбида кремния, в следующем соотношении компонентов, масс.ч.: титан - 5-7; карбид кремния - 3-6, при этом размер частиц порошка 20-100 мкм.
В виду того, что сферические частицы, как правило, имеют лучшие технологические свойства, в процессе изготовления смеси могут быть использованы частицы порошка титана в виде сфер.
В дальнейшем в процессе осуществления лазерной наплавки покрытия из заявленной смеси в наплавленных слоях протекают реакции и образуются новые фазы. Режимы лазерной наплавки определяют тип образовавшихся фаз, морфологию, характер распределения в матрице. Параметры наплавки определяются в рабочем режиме таким образом, чтобы обеспечивалось расплавление всего подаваемого порошка Ti и SiC при минимальном воздействии на подложку.
В данном случае наиболее важна реакция образования карбида титана. Карбид титана широко используется как армирующая фаза в композиционных материалах из-за высоких значений твердости. В большинстве случаев, как следует из предложенного в качестве прототипа технического решения, армирующая фаза непосредственно добавляется в покрытие. Использование же заявленной смеси позволяет получить TiC в результате синтеза при лазерном переплавлении порошков Ti и SiC. В процессе наплавки при заявленном соотношении порошков Ti и SiC и размере частиц порошка 20-100 мкм происходит синтез карбида титана по схеме Ti+SiC→TiC+Si. При этом TiC выделяется в виде дендридов, равномерно распределенных по покрытию.
В качестве подложки могут быть использованы изделия из сплавов, например титановых, магниевых, алюминиевых, бронз, латуней, также нержавеющей, углеродистой или низкоуглеродистой стали. Состав низкоуглеродистой стали, из которой, в частности, выполняют подложку, следующий: 0,17-0,22 С; 0,40-0,60 Mn; Si<0,5; Ni<0,03; Cr<0,03; Р<0,04; Cu<0,03; Fe - остальное (в объемных процентах).
Приведенные в формуле изобретения соотношения титана и карбида кремния в порошке в совокупности с прочими существенными признаками формулы являются необходимыми и достаточными для достижения указанного технического результата, что подтверждается примерами, представленными ниже в таблице.
Для проведения эксперимента использовались порошки титана TLSGD2 и карбида кремния SiC - 135.
| Таблица | |||
| № | Ti, мас.ч. | SiC, мac.ч. | Свойства покрытия |
| Пример 1 | 4 | 7 | По завершении лазерной наплавки на поверхности покрытия остаются нерасплавленные частицы SiC, что приводит к образованию трещин и пор. |
| Пример 2 | 5 | 3 | В процессе лазерной наплавки выделяется TiC в виде дендритов, равномерно распределенных по объему покрытия. Получено качественное покрытие. |
| Пример 3 | 6 | 4 | В наплавленных слоях образуются армирующие частицы мелкодисперсного, равномерно распределенного TiC. Получено качественное покрытие. |
| Пример 4 | 6 | 5 | В наплавленных слоях образуются армирующие частицы мелкодисперсного, равномерно распределенного TiC. Получено качественное покрытие. |
| Пример 5 | 7 | 6 | В процессе лазерной наплавки выделяется TiC в виде дендритов, равномерно распределенных по объему покрытия. Получено качественное покрытие. |
| Пример 6 | 8 | 3 | Недостаточно твердое покрытие. |
В заявленном изобретении выбран размер частиц порошка, равный 20-100 мкм. С уменьшением размера порошка (например, ультра-мелкий порошок) менее 20 мкм снижается его подвижность, кроме того транспортировка порошка становится проблематичной. Использование порошка с размером частиц более 100 мкм не позволяет в достаточной мере фокусировать поток и приводит к потерям материала.
Таким образом, заявленная порошковая композиционная смесь, подаваемая в область действия лазерного луча, позволяет получать высококачественные (твердые и износостойкие с равномерно распределенным по объему покрытия карбидом титана) покрытия на металлической подложке.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для лазерной наплавки;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
1. Порошковая композиционная смесь для лазерной наплавки на металлическую подложку, отличающаяся тем, что она включает порошки из титана и карбида кремния с размером частиц 20-100 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
титан - 5-7,
карбид кремния - 3-6.
2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что частицы порошка титана выполнены в виде сфер.
