Способ получения износо-коррозионностойкого градиентного покрытия

Изобретение относится к области получения покрытий со специальными свойствами, в частности к покрытиям с высокой стойкостью к коррозионным повреждениям и износу. Способ холодного газодинамического напыления износо-коррозионностойкого градиентного покрытия включает подачу металлического порошка в сверхзвуковой поток газа с образованием гетерофазного потока и нанесение его на поверхность изделия. Металлический порошок подают в потоке инертного газа, затем осуществляют подачу в поток инертного газа с указанным металлическим порошком реакционного газа с увеличением его объемного содержания в упомянутом потоке по линейному или экспоненциальному закону с обеспечением увеличения содержания соединения упомянутого металлического порошка с указанным реакционным газом в виде абсорбированных частиц в покрытии от 0% на поверхности адгезивного слоя до 100% на поверхности получаемого покрытия. В качестве металлического порошка используют порошок циркония или его сплава, или хрома или его сплава. Подачу инертного и реакционного газов осуществляют от двух автономных источников. В частных случаях осуществления изобретения в качестве инертного газа используют, например, гелий или аргон. В качестве реакционного газа используют, например, азот или кислород. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к области получения покрытий со специальными свойствами, в частности к покрытиям с высокой стойкостью к коррозионным повреждениям и износу.

Известны способы получения таких покрытий методами гетерофазного переноса дисперсных частиц. Одним из перспективных способов является сверхзвуковое холодное газодинамическое напыление («Нанесение износостойких покрытий с регулируемой твердостью с помощью сверхзвукового холодного газодинамического напыления» Т.И. Бобкова, А.А. Деев, Р.Ю. Быстров, Б.В. Фармаковский «Металлоообработка» №5-6/2012).

Известны способы получения, в том числе

- способ нанесения функциональных покрытий с высокими адгезивными свойствами (RU 2285746, С23С 24/04, опубл. 20.10.2006). Изобретение относится к области нанесения покрытий и создания материалов с функциональными и специфическими свойствами, в частности к покрытиям, защищающим поверхности изделий от агрессивного воздействия внешних факторов. В способе используется метод холодного газодинамического напыления порошков из двух или более автономно работающих дозаторов. Регулирование расхода порошка из автономно работающих дозаторов происходит по определенной зависимости, позволяющей получать функциональные покрытия с высокой адгезивной прочностью и уникальным уровнем эксплуатационных свойств.

- способ получения износостойкого композиционного наноструктурированного покрытия (RU 2439198, С23С 24/04 С23С 30/00, опубл. 10.01.2012). Изобретение относится к способу получения износостойкого композиционного наноструктурированного покрытия, обеспечивающего высокую твердость и износостойкость поверхностей деталей и узлов пар трения, работающих в особо жестких условиях эксплуатации. Способ включает холодное газодинамическое напыление агломерированных композиционных частиц порошка сверхзвуковой газовой струей на поверхность обрабатываемой детали. Напыление проводят с образованием слоя, представляющего из себя композиционный порошок, содержащий металлический пластичный порошок, армированный твердыми ультрадисперсными неметаллическими частицами на глубину не менее ¼ своего диаметра. Металлический пластичный порошок выполнен из одного или нескольких металлов из группы Al, Zn, Cu, Ni, Ti, Со, Fe, Ag, металлов платиновой группы, редкоземельных металлов, интерметаллидов и/или сплавов на их основе. Неметаллические частицы представляют собой оксиды, нитриды, карбиды и/или их комбинации. В результате получают износостойкое покрытие с повышенной когезией и адгезией с поверхностью обрабатываемой детали.

Известен способ получения наноструктурированных функционально-градиентных износостойких покрытий по патенту RU 2354749, С23С 24/04 В82В 3/00, опубл. 10.05.2009, взятый в качестве прототипа.

Способ включает подачу порошковой композиции, по крайней мере, из двух дозаторов в сверхзвуковой поток подогретого газа и нанесение порошковой композиции на поверхность изделия. Из первого дозатора в сверхзвуковой поток подогретого газа вводят армирующие неметаллические ультрадисперсные частицы Al₂O₃ фракции от 0,1 до 1,0 мкм и проводят обработку поверхности изделия до образования ювенильной поверхности. Затем из второго дозатора наносят промежуточный слой из порошка одного или нескольких металлов из группы Al, Си, Ni, Zn, Sn, Ti, Pb, Co и/или сплавов на их основе. После чего производят нанесение функционально-градиентного слоя покрытия одновременно из двух дозаторов с получением покрытия с содержанием Al₂O₃, увеличивающимся от промежуточного слоя к поверхности в пределах от 0,1 до 30 об.%.

Общим принципиальным недостатком известных способов является существенные технологические трудности, возникающие при введении в поток газа дисперсных частиц для формирования градиента состава покрытия по заданному закону. Разные по фракционному составу, форме и сыпучести порошки поступают в зону формирования функционально-градиентного покрытия неравномерно, что существенно затрудняет получение воспроизводимых результатов по химическому и фазовому составам, а следовательно, и свойствам покрытия.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение функционально-градиентных покрытий с равномерным повышением твердости от подслоя к поверхностным слоям.

Технический результат достигается за счет изменения по заданному закону не состава напыляемого порошка, а за счет изменения состава газа, осуществляющего гетерофазный перенос напыляемых металлических частиц и формирование покрытия. При увеличении объемного содержания реакционного газа (например, кислорода или азота) в газовой смеси увеличивается количество абсорбированных частиц. Тем самым, до покрытой адгезивным слоем подложки доносится смесь из исходного порошка и образовавшихся при транспортировке в газовом потоке абсорбированных частиц. Повышение процентного содержания последних ведет к повышению интегральной твердости напыляемого слоя. Регулируя соотношение газов, осуществляется получение слоев покрытий с необходимыми твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

В соответствии с предлагаемым изобретением, подвод газа к напыляющему рабочему органу осуществляется от двух автономно работающих баллонов с газами.

Изменение состава газовой фазы в рабочей зоне производится по определенному закону (линейному - фиг.1, или экспоненциальному - фиг.2) с помощью регулировки подачи газа. В начале процесса работает только вентиль, из которого в рабочую зону поступает инертный газ (гелий или аргон), при этом из дозатора поступает дисперсный порошок твердых металлов или их сплавов, обеспечивая прочное сцепление с металлической подложкой. После образования адгезивного подслоя включается вентиль, через который в рабочую зону начинает поступать реакционный газ (например, азот или кислород). Его объемное содержание в составе газовой смеси увеличивается (например, с помощью автоматического смесителя) по заданному закону, при этом количество оксидов или нитридов в покрытии увеличивается от примерно 0% на поверхности адгезивного слоя до примерно 100% на поверхности получаемого покрытия.

Определения сравнительной износостойкости покрытий, полученных описанным способом, к абразивному изнашиванию при трении о закрепленные абразивные частицы проводились на «Машине для испытания материалов на трение 2168 УМТ». Выбранные условия для испытаний были следующими:

- прижимная нагрузка 270 Н;

- линейная скорость перемещения - 0,313 м/с;

- испытания производятся на воздухе;

- площадь контактной поверхности образца составляла 314 мм²;

- абразивный материал с электрокорундовым шлифовальным зерном (А) твердостью не ниже R или С (твердый) по ГОСТ 52587 и зернистостью 63-50 мкм по ГОСТ 52381.

Пример 1.

Напыление градиентного покрытия из порошка твердых металлов, а именно циркония, полученного с помощью сверхскоростного механосинтеза (Бурканова Е.Ю., Фармаковский Б.В. Высокоскоростной механосинтез с использованием дезинтеграторных установок для получения наноструктурированных порошковых материалов системы металл-керамика износостойкого класса // Журнал «Вопросы материаловедения», №1/69(12) 2012 г.), размерностью от 20 до 40 мкм производилась на установке ХГДН типа Димет-3. В качестве рабочих газов выбраны гелий и азот. Увеличение содержания азота в газовой смеси от 0% до 100% производилось равномерно по линейному закону. Толщина нанесенного слоя составляет 120±8 мкм. Послойный фазовый анализ покрытия, проведенный с помощью установки Bruker D8 ADVANCE, показал, что увеличение содержания нитридов циркония в покрытии происходит также по линейному закону, достигая у поверхности (99,5±0,5)%. При этом микротвердость покрытия, измеренная посредством комплекса НаноСкан-3Д, увеличивается от подложки к поверхностным слоям получаемого покрытия от 2,8 до 12 ГПа.

Покрытие использовано для защиты клапанов вентильной системы при транспортировке нефтепродуктов в условиях воздействия агрессивных сероводородных соединений.

Пример 2.

Нанесение функционально-градиентного покрытия из порошка твердых металлов, а именно хрома, полученного с помощью сверхскоростного механосинтеза, размерностью от 40 до 80 мкм с помощью метода сверхзвукового ХГДН на установке Димет-4. В качестве рабочих газов выбраны аргон и кислород. Регулировка состава газовой смеси осуществляется по экспоненциальному закону. Однако оптимальный состав с точки зрения достижения максимальной микротвердости на периферийных слоях 84% Ar: 16% О₂. При большем, чем 16% О₂ в газовой смеси процесс окисления резко интенсифицируется и происходит выгорание частиц хрома. Толщина нанесенного слоя 210±10 мкм. Послойный фазовый анализ на установке Bruker D8 ADVANCE показал содержание чистого Cr в адгезивных слоях 99.7% и Cr₂O₃ 99,2% на поверхности покрытия. При этом микротвердость составила 2 и 10 ГПа соответственно.

Покрытие опробовано для пар трения в насосных системах и показало свою эффективность.

Таблица результатов исследований покрытий
Покрытие	Относительный весовой износ
Покрытие на основе хрома, нанесенное традиционным способом	1,4
Покрытие на основе циркония, нанесенное традиционным способом	1,5
Покрытие на основе хрома, нанесенное предлагаемым способом	0,8
Покрытие на основе циркония, нанесенное предлагаемым способом	1∗
∗ - за единицу принят весовой износ покрытия на основе циркония, нанесенного предлагаемым способом, равный 113 мг за цикл испытания

Проведенные испытания на коррозионную стойкость полученных покрытий позволяют охарактеризовать их как относящиеся к классу 2-стойкий.

1. Способ холодного газодинамического напыления износо-коррозионностойкого градиентного покрытия, включающий подачу металлического порошка в сверхзвуковой поток газа с образованием гетерофазного потока и нанесение его на поверхность изделия, отличающийся тем, что металлический порошок подают в потоке инертного газа, затем осуществляют подачу в поток инертного газа с указанным металлическим порошком реакционного газа с увеличением его объемного содержания в упомянутом потоке по линейному или экспоненциальному закону с обеспечением увеличения содержания соединения упомянутого металлического порошка с указанным реакционным газом в виде абсорбированных частиц в покрытии от 0% на поверхности адгезивного слоя до 100% на поверхности получаемого покрытия, при этом в качестве металлического порошка используют порошок циркония или его сплава, или хрома или его сплава, а подачу инертного и реакционного газов осуществляют от двух автономных источников.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют, например, гелий или аргон.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве реакционного газа используют, например, азот или кислород.