RU2678045C1 - Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments - Google Patents
Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments Download PDFInfo
- Publication number
- RU2678045C1 RU2678045C1 RU2018100983A RU2018100983A RU2678045C1 RU 2678045 C1 RU2678045 C1 RU 2678045C1 RU 2018100983 A RU2018100983 A RU 2018100983A RU 2018100983 A RU2018100983 A RU 2018100983A RU 2678045 C1 RU2678045 C1 RU 2678045C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- aluminum
- coating
- steel
- fraction
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
- C23C28/021—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material including at least one metal alloy layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
- C23C28/023—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material only coatings of metal elements only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
- C23C28/027—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material including at least one metal matrix material comprising a mixture of at least two metals or metal phases or metal matrix composites, e.g. metal matrix with embedded inorganic hard particles, CERMET, MMC.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания защитных керамоматричных покрытий на поверхности стали, обладающих высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах (припои, печные газы, жидкометаллические среды) при температурах контактного взаимодействия 400-600°С, за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев. Так же изобретение относится к области материаловедения и химической промышленности.The invention relates to the field of creating protective ceramic coatings on the surface of steel with high corrosion resistance in aggressive environments (solders, furnace gases, liquid metal environments) at contact interaction temperatures of 400-600 ° C, due to changes in the composition and structure of their surface layers. The invention also relates to the field of materials science and the chemical industry.
Известно композиционное покрытие для защиты от коррозии металлических прокалочных опок в литейном производстве и трубопроводов (пат. RU 2355725 С2, C09D 1/02, C09D 5/8, опубл. 2009 г.). В составе покрытия в качестве наполнителя используется алюминиевый порошок, а в качестве связующего материала - жидкое стекло с плотностью 1,40-1,145 г/см3 и модулем 2,85-3,05 ед. или его водный раствор с плотностью 1,12-1,18 г/см3 и тем же модулем при следующем соотношении компонентов, мас. %: алюминиевый порошок 53,6-68,4 и связующее 46,4-31,6. Указанное покрытие не обеспечивает защиту металлических поверхностей от высокотемпературной коррозии при температурах более 500°С, что является главным недостатком. Покрытие деформируется, разрушается, осыпается с защищаемой металлической поверхности и открывает доступ к ней агрессивных печных газов.Known composite coating for corrosion protection of metal calcining flasks in the foundry and pipelines (US Pat. RU 2355725 C2, C09D 1/02, C09D 5/8, publ. 2009). Aluminum powder is used as a filler in the coating composition, and liquid glass with a density of 1.40-1.145 g / cm 3 and a module of 2.85-3.05 units is used as a binder. or its aqueous solution with a density of 1.12-1.18 g / cm 3 and the same module in the following ratio of components, wt. %: aluminum powder 53.6-68.4 and a binder 46.4-31.6. The specified coating does not protect metal surfaces from high temperature corrosion at temperatures above 500 ° C, which is the main disadvantage. The coating deforms, collapses, crumbles from the protected metal surface and opens access to it from aggressive furnace gases.
Известен способ (RU 1772215 A1, С23С - 010/22, опубл. 1992 г.) насыщения поверхностных слоев стального изделия никелем из легкоплавких растворов. Нанесение покрытий осуществляется путем выдержки стального изделия в легкоплавком свинцовом расплаве, содержащем 0,5-0,8% лития и 3% никеля. В результате происходит адсорбция никеля на его поверхности и последующая диффузия никеля вглубь поверхностных слоев. Никель образует с железом твердые растворы, на поверхности изделия образуется диффузионное покрытие, представляющее собой сплав железа и никеля. Такое покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью. Однако образующиеся покрытия являются хрупкими, склонны к растрескиванию, разрушению и износу при термомеханическом воздействии внешней среды.The known method (RU 1772215 A1, C23C - 010/22, publ. 1992) saturation of the surface layers of a steel product with nickel from low-melting solutions. Coating is carried out by holding the steel product in a low-melting lead melt containing 0.5-0.8% lithium and 3% nickel. As a result, nickel is adsorbed on its surface and subsequent diffusion of nickel deep into the surface layers. Nickel forms solid solutions with iron, a diffusion coating is formed on the surface of the product, which is an alloy of iron and nickel. This coating has high corrosion resistance. However, the resulting coatings are brittle, prone to cracking, fracture and wear under thermomechanical effects of the external environment.
Известны способы (Material Behavior and Physical Chemistry in Liquid Metal Systems./Ed. by H.U. Borstedt. New York: Plenum Press, 1982, p. 253-264) защиты металлов от коррозии, заключающиеся в том, что на поверхность сталей наносят керамические коррозионностойкие покрытия на основе нитридов и боридов титана, циркония, карбидов вольфрама, алюмо-магниевой шпинели. Покрытия формируют путем плазменного напыления. При этом предполагается, что создание керамических покрытий предотвратит коррозионное разрушение матрицы металлов в процессе эксплуатации при повышенных температурах. К недостаткам способов следует отнести формирование тонких покрытий, которые могут разрушиться, вследствие циклических термомеханических напряжений при продолжительном коррозионном воздействии, из-за существенной разницы коэффициентов термического расширения (КТР) на ярко выраженной границе раздела «керамика-металл».Known methods (Material Behavior and Physical Chemistry in Liquid Metal Systems./ Ed. By HU Borstedt. New York: Plenum Press, 1982, p. 253-264) for protecting metals from corrosion, which include applying ceramic corrosion-resistant to the surface of steels coatings based on nitrides and borides of titanium, zirconium, tungsten carbides, aluminum-magnesium spinel. Coatings are formed by plasma spraying. It is assumed that the creation of ceramic coatings will prevent the corrosion of the matrix of metals during operation at elevated temperatures. The disadvantages of the methods include the formation of thin coatings, which can be destroyed due to cyclic thermomechanical stresses during prolonged corrosion exposure, due to the significant difference in thermal expansion coefficients (CTE) at the pronounced ceramic-metal interface.
Известен вариант (пат. RU 2206632 С2, С22С 38/50, С22С 38/58, В32В 15/18, опубл. 2003 г.) использования двухслойной плакированной стали с высокой коррозионной стойкостью внешнего слоя по отношению к агрессивным высокотемпературным внешним средам. Однако применение биметалла является технологически сложной, трудоемкой и дорогостоящей задачей, так как стальные конструкции могут включать в себя большое количество сварных соединений.A known option (US Pat. RU 2206632 C2, C22C 38/50, C22C 38/58, B32B 15/18, publ. 2003) use of two-layer clad steel with high corrosion resistance of the outer layer in relation to aggressive high-temperature environments. However, the use of bimetal is a technologically complex, time-consuming and expensive task, since steel structures can include a large number of welded joints.
Коррозионностойкое покрытие на стальной основе (RU 90440 U1, С23С 28/00, C25D 11/02, опубл. 2011 г.) формируют плазменным напылением алюминия, затем проводят микродуговое оксидирование (МДО). Толщина алюминиевого слоя, который не подвергся оксидированию, составляет 35-65 мкм. При этом пористость предварительно наносимого слоя алюминия составляет до 10%. Недостатки способа заключаются в том, что плазменное напыление алюминия приводит к образованию пористого покрытия. Агрессивная среда, при контакте с поверхностью, может проникать в сталь через сквозные поры оксидированного и алюминиевого слоя, что приводит к коррозии. Так же при температурах контактного взаимодействия 400-600°С на границе «покрытие-сталь» активно протекают процессы диффузии алюминия в железо, что может привести к формированию интерметаллидов системы «алюминий-железо» на толщину алюминиевого слоя, который не подвергся оксидированию. Результатом станет охрупчивание покрытия из-за ухудшения адгезии на границе «интерметаллидный слой-керамика».A corrosion-resistant coating on a steel base (RU 90440 U1, С23С 28/00, C25D 11/02, publ. 2011) is formed by plasma spraying of aluminum, then microarc oxidation (MAO) is carried out. The thickness of the aluminum layer, which has not undergone oxidation, is 35-65 microns. In this case, the porosity of the pre-applied layer of aluminum is up to 10%. The disadvantages of the method are that plasma spraying of aluminum leads to the formation of a porous coating. Aggressive medium, in contact with the surface, can penetrate the steel through the through pores of the oxidized and aluminum layer, which leads to corrosion. Also, at temperatures of contact interaction of 400-600 ° С, diffusion of aluminum into iron actively occurs at the coating-steel interface, which can lead to the formation of intermetallic compounds of the aluminum-iron system to the thickness of the aluminum layer, which has not undergone oxidation. The result will be embrittlement of the coating due to deterioration of adhesion at the intermetallic-ceramic interface.
Наиболее близким решением к предлагаемому способу можно считать формирование антикоррозионного покрытия на стали (пат. RU 2455392 С1, С23С 28/04, опубл. 2011 г.) для работы в высокотемпературных агрессивных средах, которое взято за прототип. Покрытие содержит адгезионный слой и защитный слой. Адгезионный слой выполнен из циркония. Защитный слой состоит из внутреннего и наружного подслоев. Внутренний слой, состоит из двух подслоев, один из которых выполнен из нитрида циркония и нанесен на адгезионный слой методом ионно-плазменного напыления, а второй подслой образован из оксида циркония путем химико-термической обработки поверхности подслоя нитрида циркония. Наружный слой выполнен из материала на основе легкоплавкого вольфрамового стекла.The closest solution to the proposed method can be considered the formation of an anti-corrosion coating on steel (US Pat. RU 2455392 C1, C23C 28/04, publ. 2011) for use in high-temperature aggressive environments, which is taken as a prototype. The coating contains an adhesive layer and a protective layer. The adhesive layer is made of zirconium. The protective layer consists of inner and outer sublayers. The inner layer consists of two sublayers, one of which is made of zirconium nitride and deposited on the adhesive layer by ion-plasma spraying, and the second sublayer is formed from zirconium oxide by chemical-thermal treatment of the surface of the zirconium nitride sublayer. The outer layer is made of a material based on fusible tungsten glass.
Покрытие, приведенное в качестве прототипа, обеспечивает хорошую защиту. К недостаткам прототипа можно отнести следующие:The coating provided as a prototype provides good protection. The disadvantages of the prototype include the following:
- высокая трудоемкость процесса получения покрытия, который представляет собой совокупность трех технологических операций: ионно-плазменного напыления, химико-термической обработки поверхности, нанесения вольфрамового стекла;- the high complexity of the coating process, which is a combination of three technological operations: ion-plasma spraying, chemical-thermal surface treatment, applying tungsten glass;
- невозможность регулирования толщины покрытия в широком диапазоне, так как метод ионно-плазменного напыления позволяет получать тонкослойные металлические и керамические покрытия ограниченной толщины в диапазоне от одного до нескольких микрометров;- the inability to control the thickness of the coating in a wide range, since the ion-plasma spraying method allows to obtain thin-layer metal and ceramic coatings of limited thickness in the range from one to several micrometers;
- адгезионный слой вольфрама по КТР значительно отличается от стальной подложки и от оксида циркония, что неизбежно приводит к возникновению на границе слоев при нагреве термических напряжений, которые могут вызвать расслоение и последующее разрушение покрытия;- the KTP tungsten adhesive layer differs significantly from the steel substrate and from zirconium oxide, which inevitably leads to thermal stresses at the boundary of the layers during heating, which can cause delamination and subsequent destruction of the coating;
- защитный слой покрытия имеет низкие прочностные характеристики, вследствие чего подвержен износу в результате термомеханического воздействия со стороны агрессивных сред;- the protective coating layer has low strength characteristics, as a result of which it is subject to wear as a result of thermomechanical effects from aggressive environments;
- описанные методы нанесения слоев предполагают формирование покрытий, обладающих некоторой пористостью. Через поры агрессивная среда может проникать в стальную подложку, образовывая очаги коррозии. Не произведена оценка влияния пористости отдельных слоев на антикоррозионные свойства покрытия.- the described methods of applying layers involve the formation of coatings with some porosity. Through the pores, the aggressive medium can penetrate the steel substrate, forming foci of corrosion. The effect of the porosity of individual layers on the anticorrosion properties of the coating has not been evaluated.
Техническим результатом изобретения является создание коррозионностойкого керамоматричного покрытия на стали в широком диапазоне толщин от 100 мкм до 5 мм, обладающего низкой пористостью, имеющего в своем составе алюминиевый слой, переходящий в интерметаллид системы «алюминий-железо»; упрочненный металлокерамический слой, и основной прочный корундовый слой. Наличие данных переходных диффузионных слоев обеспечивает высокую адгезию покрытия и обеспечивает плавное изменение коэффициента термического расширения по толщине покрытия при воздействии агрессивных сред при температурах до 600°С. Формирование керамоматричного покрытия осуществляется двумя последовательными технологическими операциями: холодным газодинамическим напылением (ХГДН) и микродуговым оксидированием.The technical result of the invention is the creation of a corrosion-resistant ceramic coating on steel in a wide range of thicknesses from 100 μm to 5 mm, having low porosity, having an aluminum layer in its composition, turning into an intermetallic system of "aluminum-iron"; hardened cermet layer, and the main strong corundum layer. The presence of these transitional diffusion layers provides high adhesion of the coating and provides a smooth change in the coefficient of thermal expansion over the thickness of the coating when exposed to aggressive environments at temperatures up to 600 ° C. The formation of a ceramic coating is carried out by two sequential technological operations: cold gas-dynamic spraying (CGDN) and microarc oxidation.
Для достижения поставленной цели, использовался способ ХГДН. Благодаря сверхзвуковому потоку газа, скорость частиц составляет порядка 600 м/с. В результате интенсивной пластической деформации при ударе, частицы закрепляются на подложке в твердом состоянии и при температуре, значительно ниже температуры плавления распыляемого материала.To achieve this goal, the HGDN method was used. Due to the supersonic gas flow, the particle velocity is about 600 m / s. As a result of intense plastic deformation upon impact, the particles are fixed on the substrate in the solid state and at a temperature significantly lower than the melting temperature of the sprayed material.
Технический результат достигается за счет того, что способом ХГДН наносят два алюминиевых слоя. При нанесении алюминиевого первого слоя используется порошок чистого алюминия фракцией 20-60 мкм. При нанесении упрочненного алюминиевого второго слоя используется композиционный порошок, состоящий на 20% из корунда фракцией 50-60 мкм и на 80% из порошка алюминия фракцией 20-60 мкм, армированного свыше 50% частицами корунда размером до 100 нм.The technical result is achieved due to the fact that two aluminum layers are applied by the HGDN method. When applying the first aluminum layer, pure aluminum powder with a fraction of 20-60 microns is used. When applying the hardened aluminum second layer, a composite powder is used consisting of 20% of corundum with a fraction of 50-60 microns and 80% of aluminum powder with a fraction of 20-60 microns reinforced with over 50% corundum particles up to 100 nm in size.
Установлено, что частицы размером 20-60 мкм имеют достаточную кинетическую энергию для закрепления на подложке. При использовании порошка фракцией более 50 мкм формируемое покрытие не обладает высокой адгезионной прочностью. Частицы корунда размером 50-60 мкм в составе композиционного порошка при попадании на напыляемую металлическую поверхность отлетают от нее, очищая ее при этом от загрязнений, и далее таким же образом устраняют оксидный слой только что сформированного алюминиевого покрытия, тем самым, значительно повышая его когезию.It was found that particles with a size of 20-60 μm have sufficient kinetic energy to be fixed on the substrate. When using a powder with a fraction of more than 50 μm, the formed coating does not have high adhesive strength. Corundum particles with a size of 50-60 μm in the composition of the powder, when hit on the sprayed metal surface, fly away from it, cleaning it from pollution, and then in the same way eliminate the oxide layer of the newly formed aluminum coating, thereby significantly increasing its cohesion.
Установлено, что армирование порошка алюминия фракцией 20-60 мкм свыше 50% наноразмерными частицами корунда приводит к образованию композиционного порошка конгломератного типа. Армирование достигается при помощи обработки смеси порошков в планетарной мельнице.It was found that reinforcing aluminum powder with a fraction of 20-60 microns in excess of 50% nanosized corundum particles leads to the formation of a conglomerate-type composite powder. Reinforcement is achieved by processing a mixture of powders in a planetary mill.
При этом в составе армированного порошка алюминия имеются свободные частицы нанокорунда. В результате значительно повышаются функциональные свойства покрытия, такие как твердость и износостойкость.Moreover, the composition of the reinforced aluminum powder contains free nanocorund particles. As a result, the functional properties of the coating, such as hardness and wear resistance, are significantly improved.
В процессе напыления эти частицы частично заполняют образующиеся поры, в результате чего пористость образующегося слоя не превышает 5 об.%.During the deposition process, these particles partially fill the formed pores, as a result of which the porosity of the formed layer does not exceed 5 vol.%.
В соответствии с предлагаемым изобретением, в качестве рабочего газа в процессе ХГДН используется воздух.In accordance with the invention, air is used as the working gas in the HGDN process.
Процесс МДО проводится в силикатно-щелочном электролите силикат натрия - 2-15 г/л, гидроксид калия - 1-4 г/л, остальное - вода.The MAO process is carried out in a silicate-alkaline electrolyte sodium silicate - 2-15 g / l, potassium hydroxide - 1-4 g / l, the rest is water.
Продолжительность микродугового оксидирования составляет 1-1,5 часа. В результате образуется внешний керамический оксидный МДО-слой внутрь упрочненного алюминиевого второго слоя с наночастицами корунда, который имеет микротвердость в диапазоне 15-20 ГПа и обладает открытой пористостью не более 7%.The duration of microarc oxidation is 1-1.5 hours. As a result, an external ceramic oxide MAO layer is formed inside the hardened aluminum second layer with corundum nanoparticles, which has a microhardness in the range of 15–20 GPa and has an open porosity of not more than 7%.
Установлено, что при взаимодействии покрытия с агрессивной средой при температурах 400-600°С происходит образование интерметаллидного слоя системы «алюминий-железо» с пористостью не более 2% от объема на толщину, соответствующую толщине алюминиевого первого слоя. Дальнейшее замедление диффузии вызвано естественным снижением химического потенциала, а так же наличием барьерного, насыщенного нанокорундом упрочненного алюминиевого слоя. Образующийся интерметаллидный слой понижает адгезию керамоматричного покрытия не более чем на 5%, адгезия покрытия к стали составляет не менее 50 МПа.It has been established that when the coating interacts with an aggressive medium at temperatures of 400-600 ° C, an intermetallic layer of the aluminum-iron system forms with a porosity of not more than 2% of the volume per thickness corresponding to the thickness of the aluminum first layer. A further slowdown in diffusion is caused by a natural decrease in the chemical potential, as well as the presence of a barrier, hardened with nanocorundum hardened aluminum layer. The resulting intermetallic layer reduces the adhesion of the ceramic coating by no more than 5%, the adhesion of the coating to steel is at least 50 MPa.
Пример 1.Example 1
Для получения защитного керамоматричного покрытия подготовлены образцы из стали марки Ст.3 в виде плоских пластин размером 50×20×0,4 мм.To obtain a protective ceramic coating, samples of steel grade St.3 were prepared in the form of flat plates measuring 50 × 20 × 0.4 mm.
На поверхность образцов методом ХГДН с использованием робота равномерно напыляли на толщину 200 мкм порошок чистого алюминия фракцией 30-50 мкм. В качестве рабочего газа использовался воздух. На образовавшийся слой методом ХГДН на толщину 400 мкм напыляли композиционный порошок, состоящий на 20% из корунда фракцией 50-60 мкм и на 80% из порошка алюминия фракцией 50-60 мкм, армированного на 70% частицами корунда фракцией до 100 нм. Далее образовавшийся внешний слой подвергался процессу МДО в силикатно-щелочном электролите состава: силикат натрия - 6 г/л, гидроксид калия - 3 г/л, остальное - вода. Длительность процесса МДО составляла 1 час, при этом формировался оксидный слой внутрь упрочненного алюминиевого слоя на толщину 80 мкм.Powder of pure aluminum with a fraction of 30-50 microns was uniformly sprayed on the surface of the samples using the CGD method using a robot. Air was used as the working gas. A composite powder consisting of 20% of corundum with a fraction of 50-60 microns and 80% of aluminum powder with a fraction of 50-60 microns reinforced with 70% corundum particles with a fraction of up to 100 nm was sprayed onto a layer formed by the method of CCD by a thickness of 400 μm. Further, the formed outer layer was subjected to the MAO process in a silicate-alkaline electrolyte with the composition: sodium silicate - 6 g / l, potassium hydroxide - 3 g / l, the rest is water. The duration of the MAO process was 1 hour, while an oxide layer was formed inside the hardened aluminum layer to a thickness of 80 μm.
Полученное керамоматричное покрытие имеет микротвердость порядка 16 ГПа. Открытая пористость МДО-слоя составляет не более 7%, пористость алюминиевого упрочненного слоя не более 3% от общего объема, адгезия покрытия к металлической основе не менее 50 МПа.The resulting ceramic coating has a microhardness of the order of 16 GPa. The open porosity of the MAO layer is not more than 7%, the porosity of the aluminum hardened layer is not more than 3% of the total volume, the adhesion of the coating to the metal base is not less than 50 MPa.
На образцах проводили коррозионные испытания, посредством их выдержки в печи в керамическом тигле с расплавленным припоем марки ПОС-10, в состав которого входит 10% олова и 90% свинца. Температура расплава составила 500°С, время выдержки в печи в воздушной среде составило 3000 часов.Corrosion tests were carried out on the samples by holding them in an oven in a ceramic crucible with molten solder grade POS-10, which includes 10% tin and 90% lead. The melt temperature was 500 ° C, the exposure time in the furnace in air was 3000 hours.
Исследование коррозионной стойкости покрытий образцов проводилось методом визуализации на электронном растровом микроскопе в их поперечных шлифах. Отмечено, что формирование МДО-слоя приводит к сохранению целостности покрытия после испытаний. Наблюдается проникновение расплава припоя через сквозные поры оксидной керамики, скопления металла задерживаются в армированном нанокорундом алюминиевом втором слое с низкой пористостью и не проходят вглубь покрытия, очаги коррозии отсутствуют. Обнаружено формирование дополнительного защитного интерметаллидного слоя системы «алюминий-железо» в покрытии.The corrosion resistance of the coatings of the samples was studied by visualization using an electron scanning microscope in their transverse sections. It is noted that the formation of the MAO layer leads to the preservation of the integrity of the coating after testing. The penetration of the solder melt through the through pores of oxide ceramics is observed, metal accumulations are retained in the second porous layer reinforced with nanocorundum aluminum and do not pass deep into the coating, there are no foci of corrosion. The formation of an additional protective intermetallic layer of the aluminum-iron system in the coating was detected.
Пример 2.Example 2
Для получения защитного керамоматричного покрытия подготовлены образцы из стали марки Ст.3 в виде плоских пластин размером 50×20×0,4 мм.To obtain a protective ceramic coating, samples of steel grade St.3 were prepared in the form of flat plates measuring 50 × 20 × 0.4 mm.
На поверхность образцов методом ХГДН с использованием робота равномерно напыляли на толщину 200 мкм порошок чистого алюминия фракцией 30-50 мкм. В качестве рабочего газа использовался воздух. На образовавшийся слой методом ХГДН на толщину 400 мкм напыляли композиционный порошок, состоящий на 20% из корунда фракцией 50-60 мкм и на 80% из порошка алюминия фракцией 50-60 мкм, армированного на 70% частицами корунда фракцией до 100 нм. Далее образовавшийся внешний слой подвергался процессу МДО в силикатно-щелочном электролите состава: силикат натрия - 6 г/л, гидроксид калия - 3 г/л, остальное - вода. Длительность процесса МДО составляла 1,5 часа, при этом формировался оксидный слой внутрь упрочненного алюминиевого слоя на толщину 120 мкм.Powder of pure aluminum with a fraction of 30-50 microns was uniformly sprayed on the surface of the samples using the CGD method using a robot. Air was used as the working gas. A composite powder consisting of 20% of corundum with a fraction of 50-60 microns and 80% of aluminum powder with a fraction of 50-60 microns reinforced with 70% corundum particles with a fraction of up to 100 nm was sprayed onto a layer formed by the method of CCD by a thickness of 400 μm. Further, the formed outer layer was subjected to the MAO process in a silicate-alkaline electrolyte with the composition: sodium silicate - 6 g / l, potassium hydroxide - 3 g / l, the rest is water. The duration of the MAO process was 1.5 hours, and an oxide layer was formed inside the hardened aluminum layer to a thickness of 120 μm.
Полученное керамоматричное покрытие имеет микротвердость порядка 18 ГПа. Открытая пористость МДО-слоя составляет не более 7%, пористость алюминиевого упрочненного слоя не более 3% от общего объема, адгезия покрытия к металлической основе не менее 50 МПа.The resulting ceramic coating has a microhardness of the order of 18 GPa. The open porosity of the MAO layer is not more than 7%, the porosity of the aluminum hardened layer is not more than 3% of the total volume, the adhesion of the coating to the metal base is not less than 50 MPa.
На образцах проводили коррозионные испытания, посредством их выдержки в печи в керамическом тигле с расплавленным припоем марки ПОС-40, в состав которого входит 40% олова и 60% свинца. Температура расплава составила 500°С, время выдержки в печи в воздушной среде составило 3000 часов.Corrosion tests were carried out on the samples by holding them in an oven in a ceramic crucible with molten solder grade POS-40, which includes 40% tin and 60% lead. The melt temperature was 500 ° C, the exposure time in the furnace in air was 3000 hours.
Исследование коррозионной стойкости покрытий образцов проводилось методом визуализации на электронном растровом микроскопе в их поперечных шлифах. Отмечено, что формирование МДО-слоя приводит к сохранению целостности покрытия после испытаний. Наблюдается проникновение расплава припоя через сквозные поры оксидной керамики, скопления металла задерживаются в армированном нанокорундом алюминиевом втором слое с низкой пористостью и не проходят вглубь покрытия, очаги коррозии отсутствуют. Обнаружено формирование дополнительного защитного интерметаллидного слоя системы «алюминий-железо» в покрытии.The corrosion resistance of the coatings of the samples was studied by visualization using an electron scanning microscope in their transverse sections. It is noted that the formation of the MAO layer leads to the preservation of the integrity of the coating after testing. The penetration of the solder melt through the through pores of oxide ceramics is observed, metal accumulations are retained in the second porous layer reinforced with nanocorundum aluminum and do not pass deep into the coating, there are no foci of corrosion. The formation of an additional protective intermetallic layer of the aluminum-iron system in the coating was detected.
Источники информацииInformation sources
1. Патент 2355725 С2 (RU) 20.05.09.1. Patent 2355725 C2 (RU) 05.20.09.
2. Патент 1772215 A1 (RU), 30.10.92.2. Patent 1772215 A1 (RU), 10.30.92.
3. Material Behavior and Physical Chemistry in Liquid Metal Systems./Ed. by H.u. Borstedt. New York: Plenum Press, 1982, p. 253-264.3. Material Behavior and Physical Chemistry in Liquid Metal Systems./Ed. by H.u. Borstedt. New York: Plenum Press, 1982, p. 253-264.
4. Патент 2206632 C2 (RU), 20.06.03.4. Patent 2206632 C2 (RU), 06.20.03.
5. RU 90440 U1, 10.12.11.5. RU 90440 U1, 10.12.11.
6. Патент 2455392 C1 (RU), 10.07.11.6. Patent 2455392 C1 (RU), 07/10/11.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018100983A RU2678045C1 (en) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018100983A RU2678045C1 (en) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2678045C1 true RU2678045C1 (en) | 2019-01-22 |
Family
ID=65085207
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018100983A RU2678045C1 (en) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2678045C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112575358A (en) * | 2020-11-27 | 2021-03-30 | 广东电网有限责任公司佛山供电局 | Aluminum-plated steel surface corrosion-resistant micro-arc oxidation film layer and preparation method and application thereof |
| RU2763698C1 (en) * | 2021-09-28 | 2021-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Невский инструментальный завод" | Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1772215A1 (en) * | 1991-01-16 | 1992-10-30 | Le Mekh I Im Marshala Sovetsko | Method of diffusion coating application on steel articles |
| RU2206632C2 (en) * | 2001-07-27 | 2003-06-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" | Two-layer corrosion-resistant steel |
| EP1783247A2 (en) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | General Electric Company | Layered corrosion resistant coating for turbine blade environmental protection |
| RU2355725C2 (en) * | 2007-07-18 | 2009-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Composite material for coating |
| US20090277782A1 (en) * | 2007-09-18 | 2009-11-12 | College Of William And Mary | Silicon Oxynitride Coating Compositions |
| RU90440U1 (en) * | 2009-09-23 | 2010-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационно-технологический центр "НАНОМЕР" | COMPOSITION ALUMINUM-OXIDE COATING FOR PROTECTING STEEL FROM CORROSION AND WEAR |
| RU2455392C1 (en) * | 2011-02-14 | 2012-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Coating for protection of steel substrate from liquid metallic corrosion |
-
2018
- 2018-01-10 RU RU2018100983A patent/RU2678045C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1772215A1 (en) * | 1991-01-16 | 1992-10-30 | Le Mekh I Im Marshala Sovetsko | Method of diffusion coating application on steel articles |
| RU2206632C2 (en) * | 2001-07-27 | 2003-06-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" | Two-layer corrosion-resistant steel |
| EP1783247A2 (en) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | General Electric Company | Layered corrosion resistant coating for turbine blade environmental protection |
| RU2355725C2 (en) * | 2007-07-18 | 2009-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Composite material for coating |
| US20090277782A1 (en) * | 2007-09-18 | 2009-11-12 | College Of William And Mary | Silicon Oxynitride Coating Compositions |
| RU90440U1 (en) * | 2009-09-23 | 2010-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационно-технологический центр "НАНОМЕР" | COMPOSITION ALUMINUM-OXIDE COATING FOR PROTECTING STEEL FROM CORROSION AND WEAR |
| RU2455392C1 (en) * | 2011-02-14 | 2012-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Coating for protection of steel substrate from liquid metallic corrosion |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112575358A (en) * | 2020-11-27 | 2021-03-30 | 广东电网有限责任公司佛山供电局 | Aluminum-plated steel surface corrosion-resistant micro-arc oxidation film layer and preparation method and application thereof |
| RU2763698C1 (en) * | 2021-09-28 | 2021-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Невский инструментальный завод" | Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liao et al. | Self-healing metal-enamel composite coating and its protection for TiAl alloy against oxidation under thermal shock in NaCl solution | |
| Levy | The erosion-corrosion behavior of protective coatings | |
| CN107761035B (en) | Corrosion-resistant fully-compact thermal spraying metal alloy coating and preparation method thereof | |
| EP2088225B1 (en) | Erosion and corrosion-resistant coating system and process therefor | |
| US6410148B1 (en) | Silicon based substrate with environmental/ thermal barrier layer | |
| JP4398436B2 (en) | Ceramic spray coating coated member having excellent heat radiation characteristics, etc. and method for producing the same | |
| Hocking | Coatings resistant to erosive/corrosive and severe environments | |
| US20170137949A1 (en) | Power plant component and method for manufacturing such component | |
| Pakseresht et al. | Micro-structural study and wear resistance of thermal barrier coating reinforced by alumina whisker | |
| Wang et al. | Improving oxidation resistance of MoSi2 coating by reinforced with Al2O3 whiskers | |
| JP4628578B2 (en) | Low temperature sprayed coating coated member and method for producing the same | |
| US20110014495A1 (en) | Metal material for parts of casting machine, molten aluminum alloy-contact member and method for producing them | |
| RU2678045C1 (en) | Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments | |
| JP2016535714A (en) | Enamel powder, metal component having a surface portion provided with an enamel coating, and method for producing such metal component | |
| Alvar et al. | Al2O3-TiB2 nanocomposite coating deposition on titanium by air plasma spraying | |
| Malvi et al. | Elevated temperature erosion of plasma sprayed thermal barrier coating | |
| JP2023503093A (en) | Double layer protective coating for metal parts | |
| Markov et al. | Corrosion-resistant ceramic coatings that are promising for use in liquid metal environments | |
| Xie et al. | Effect of an enamel coating on the oxidation and hot corrosion behavior of an HVOF-sprayed Co–Ni–Cr–Al–Y coating | |
| CN108611588B (en) | High-temperature oxidation resistant and sulfur and chlorine corrosion resistant alloy coating and preparation method thereof | |
| JP3838991B2 (en) | Thermal spray coating coated member having self-sealing action, manufacturing method thereof and sealing method | |
| JP3881858B2 (en) | Carbide cermet sprayed coating material with excellent corrosion resistance | |
| Pavan et al. | Review of ceramic coating on mild steel methods, applications and opportunities | |
| Bernardie et al. | Experimental and numerical study of a modified ASTM C633 adhesion test for strongly-bonded coatings | |
| Jiang et al. | Process maps for plasma spray Part II: Deposition and properties |