RU2678045C1 - Способ получения керамоматричного покрытия на стали, работающего в высокотемпературных агрессивных средах - Google Patents
Способ получения керамоматричного покрытия на стали, работающего в высокотемпературных агрессивных средах 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
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 24
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title abstract description 12
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title abstract description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims abstract description 17
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 5
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 claims description 12
- CYUOWZRAOZFACA-UHFFFAOYSA-N aluminum iron Chemical compound [Al].[Fe] CYUOWZRAOZFACA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 7
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 55
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 7
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910018084 Al-Fe Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910018192 Al—Fe Inorganic materials 0.000 abstract 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 4
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035508 accumulation Effects 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N zirconium nitride Chemical compound [Zr]#N ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N aluminum magnesium Chemical compound [Mg].[Al] SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 tungsten carbides Chemical class 0.000 description 1
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)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области материаловедения, в том числе к созданию защитных керамоматричных покрытий на поверхности стали, обладающих высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах при температурах контактного взаимодействия 400-600°С за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев. Изобретение также может использоваться в химической промышленности. Способ заключается в том, что на стальную поверхность методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления наносится порошок чистого алюминия фракцией 20-60 мкм. В качестве рабочего газа используется воздух. На образовавшийся алюминиевый первый слой методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления наносят композиционный порошок, состоящий на 20% из корунда фракцией 50-60 мкм и на 80% из порошка алюминия фракцией 20-60 мкм, армированного свыше 50% наноразмерными частицами корунда фракцией до 100 нм. В качестве рабочего газа используется воздух. При напылении образуются скопления нанокорунда, которые заполняют поры покрытия. Далее образовавшийся алюминиевый упрочненный второй слой, имеющий пористость не более 5% от объема, подвергается микродуговому оксидированию в силикатно-щелочном электролите следующего состава: силикат натрия - 9 г/л, гидроксид калия - 2 г/л, остальное - вода. Продолжительность микродугового оксидирования составляет 1-1,5 часа, образуется внешний керамический оксидный МДО-слой внутрь упрочненного алюминиевого второго слоя с наночастицами корунда с открытой пористостью не более 7%. Данный способ позволяет уменьшить количество операций при формировании керамоматричного покрытия. Поверхность полученного керамоматричного покрытия имеет микротвердость 15-20 ГПа, адгезия покрытия к металлической основе не менее 50 МПа. При взаимодействии поверхности с агрессивной средой при температурах 400-600°С внешний МДО-слой и упрочненный алюминиевый второй слой с наночастицами корунда обеспечивают защиту керамоматричного покрытия от разрушения и создает необходимые условия для формирования интерметаллидного слоя Al-Fe с пористостью не более 2% от объема на всю толщину первого алюминиевого подслоя, вследствие активно протекающей диффузии на границе «подложка-покрытие». При этом адгезия покрытия к стали ухудшается не более чем на 5%. Интерметаллидный первый слой Al-Fe защищает сталь от взаимодействия с агрессивной средой, в случае ее частичного проникновения в поры износостойкого внешнего и второго слоя керамоматричного покрытия. 4 з.п. ф-лы, 2 пр.
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.
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.
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.
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».
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.
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».
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.
Покрытие, приведенное в качестве прототипа, обеспечивает хорошую защиту. К недостаткам прототипа можно отнести следующие:
- высокая трудоемкость процесса получения покрытия, который представляет собой совокупность трех технологических операций: ионно-плазменного напыления, химико-термической обработки поверхности, нанесения вольфрамового стекла;
- 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;
- 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;
- защитный слой покрытия имеет низкие прочностные характеристики, вследствие чего подвержен износу в результате термомеханического воздействия со стороны агрессивных сред;
- 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.
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.
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.
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.
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.
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.
При этом в составе армированного порошка алюминия имеются свободные частицы нанокорунда. В результате значительно повышаются функциональные свойства покрытия, такие как твердость и износостойкость.
В процессе напыления эти частицы частично заполняют образующиеся поры, в результате чего пористость образующегося слоя не превышает 5 об.%.
В соответствии с предлагаемым изобретением, в качестве рабочего газа в процессе ХГДН используется воздух.
Процесс МДО проводится в силикатно-щелочном электролите силикат натрия - 2-15 г/л, гидроксид калия - 1-4 г/л, остальное - вода.
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%.
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.
Пример 1.
Для получения защитного керамоматричного покрытия подготовлены образцы из стали марки Ст.3 в виде плоских пластин размером 50×20×0,4 мм.
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.
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.
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.
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.
Пример 2.
Для получения защитного керамоматричного покрытия подготовлены образцы из стали марки Ст.3 в виде плоских пластин размером 50×20×0,4 мм.
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.
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.
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.
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.
Источники информации
1. Патент 2355725 С2 (RU) 20.05.09.
2. Патент 1772215 A1 (RU), 30.10.92.
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.
5. RU 90440 U1, 10.12.11.
6. Патент 2455392 C1 (RU), 10.07.11.
Claims (5)
1. Способ получения керамоматричного покрытия на стали для защиты от коррозии в высокотемпературных агрессивных средах, таких как припои, печные газы, расплавы солей и металлов, включающий технологию нанесения диффузионных слоев с плавным изменением коэффициента термического расширения, отличающийся тем, что на стальной поверхности методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления формируют алюминиевый первый слой, переходящий в интерметаллид системы «алюминий-железо», и упрочненный нанокорундом алюминиевый второй слой, который подвергается микродуговому оксидированию в течение 1-1,5 часов с образованием внешнего износостойкого корундового слоя вглубь упрочненного алюминиевого второго слоя с открытой пористостью не более 7%.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при холодном газодинамическом напылении упрочненного алюминиевого второго слоя используют композиционный порошок, состоящий на 20% из корунда фракцией 50-60 мкм и на 80% из порошка алюминия фракцией 20-60 мкм, армированного свыше 50% наноразмерными частицами корунда фракцией до 100 нм, при этом пористость сформированного покрытия не превышает 5% от объема.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование упрочненного алюминиевого второго слоя проводят в силикатно-щелочном электролите состава: силикат натрия - 2-15 г/л, гидроксид калия - 1-4 г/л, остальное - вода.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образование интерметаллидного слоя системы «алюминий-железо» с пористостью не более 2% от объема на толщину, соответствующую толщине первого алюминиевого слоя, происходит в процессе эксплуатации покрытия при взаимодействии с агрессивными средами при температурах 400-600°С, при этом адгезия покрытия к подложке составляет не менее 50 МПа.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамоматричное покрытие на стали формируется в задаваемом диапазоне толщин от 100 мкм до 5 мм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018100983A RU2678045C1 (ru) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Способ получения керамоматричного покрытия на стали, работающего в высокотемпературных агрессивных средах |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018100983A RU2678045C1 (ru) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Способ получения керамоматричного покрытия на стали, работающего в высокотемпературных агрессивных средах |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2678045C1 true RU2678045C1 (ru) | 2019-01-22 |
Family
ID=65085207
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018100983A RU2678045C1 (ru) | 2018-01-10 | 2018-01-10 | Способ получения керамоматричного покрытия на стали, работающего в высокотемпературных агрессивных средах |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2678045C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112575358A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-30 | 广东电网有限责任公司佛山供电局 | 一种镀铝钢材表面耐蚀微弧氧化膜层及其制备方法和应用 |
| RU2763698C1 (ru) * | 2021-09-28 | 2021-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Невский инструментальный завод" | Способ получения функционально-градиентных покрытий на металлических изделиях |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1772215A1 (ru) * | 1991-01-16 | 1992-10-30 | Le Mekh I Im Marshala Sovetsko | Cпocoб hahecehия диффузиohhoгo пokpыtия ha ctaльhыe издeлия |
| RU2206632C2 (ru) * | 2001-07-27 | 2003-06-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" | Двухслойная коррозионно-стойкая сталь |
| EP1783247A2 (en) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | General Electric Company | Layered corrosion resistant coating for turbine blade environmental protection |
| RU2355725C2 (ru) * | 2007-07-18 | 2009-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Композиционный материал для покрытия |
| US20090277782A1 (en) * | 2007-09-18 | 2009-11-12 | College Of William And Mary | Silicon Oxynitride Coating Compositions |
| RU90440U1 (ru) * | 2009-09-23 | 2010-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационно-технологический центр "НАНОМЕР" | Композиционное алюминий-оксидное покрытие для защиты стали от коррозии и износа |
| RU2455392C1 (ru) * | 2011-02-14 | 2012-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Покрытие для защиты от жидкометаллической коррозии стальной подложки |
-
2018
- 2018-01-10 RU RU2018100983A patent/RU2678045C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1772215A1 (ru) * | 1991-01-16 | 1992-10-30 | Le Mekh I Im Marshala Sovetsko | Cпocoб hahecehия диффузиohhoгo пokpыtия ha ctaльhыe издeлия |
| RU2206632C2 (ru) * | 2001-07-27 | 2003-06-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" | Двухслойная коррозионно-стойкая сталь |
| EP1783247A2 (en) * | 2005-11-04 | 2007-05-09 | General Electric Company | Layered corrosion resistant coating for turbine blade environmental protection |
| RU2355725C2 (ru) * | 2007-07-18 | 2009-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Композиционный материал для покрытия |
| US20090277782A1 (en) * | 2007-09-18 | 2009-11-12 | College Of William And Mary | Silicon Oxynitride Coating Compositions |
| RU90440U1 (ru) * | 2009-09-23 | 2010-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационно-технологический центр "НАНОМЕР" | Композиционное алюминий-оксидное покрытие для защиты стали от коррозии и износа |
| RU2455392C1 (ru) * | 2011-02-14 | 2012-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Покрытие для защиты от жидкометаллической коррозии стальной подложки |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112575358A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-30 | 广东电网有限责任公司佛山供电局 | 一种镀铝钢材表面耐蚀微弧氧化膜层及其制备方法和应用 |
| RU2763698C1 (ru) * | 2021-09-28 | 2021-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Невский инструментальный завод" | Способ получения функционально-градиентных покрытий на металлических изделиях |
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 (zh) | 一种耐腐蚀的完全致密热喷涂金属合金涂层及其制备方法 | |
| EP2088225B1 (en) | Erosion and corrosion-resistant coating system and process therefor | |
| US6387456B1 (en) | Silicon based substrate with environmental/thermal barrier layer | |
| TWI694156B (zh) | 鋁鈷鉻鐵鎳矽合金、粉體及其披覆成形塗層 | |
| JP4398436B2 (ja) | 熱放射特性等に優れるセラミック溶射皮膜被覆部材およびその製造方法 | |
| 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 | |
| JP6231665B2 (ja) | エナメル粉末、エナメルコーティングが設けられた表面部分を有する金属コンポーネント、およびこうした金属コンポーネントを製造するための方法 | |
| Wang et al. | Improving oxidation resistance of MoSi2 coating by reinforced with Al2O3 whiskers | |
| JP4628578B2 (ja) | 低温溶射皮膜被覆部材およびその製造方法 | |
| US20110014495A1 (en) | Metal material for parts of casting machine, molten aluminum alloy-contact member and method for producing them | |
| RU2678045C1 (ru) | Способ получения керамоматричного покрытия на стали, работающего в высокотемпературных агрессивных средах | |
| JP2023503093A (ja) | 金属部品用の二重層保護コーティング | |
| 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 | |
| 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 (zh) | 一种耐高温氧化和抗硫、氯腐蚀的合金涂层及其制备方法 | |
| JP3838991B2 (ja) | 自己封孔作用を有する溶射皮膜被覆部材およびその製造方法ならびに封孔方法 | |
| JP3881858B2 (ja) | 耐食性に優れる炭化物サーメット溶射皮膜被覆部材 | |
| 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 |