RU2816077C1 - Способ получения композиционного порошкового материала для нанесения функциональных покрытий с высокой износостойкостью - Google Patents
Способ получения композиционного порошкового материала для нанесения функциональных покрытий с высокой износостойкостью Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816077C1 RU2816077C1 RU2023109390A RU2023109390A RU2816077C1 RU 2816077 C1 RU2816077 C1 RU 2816077C1 RU 2023109390 A RU2023109390 A RU 2023109390A RU 2023109390 A RU2023109390 A RU 2023109390A RU 2816077 C1 RU2816077 C1 RU 2816077C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- disintegrator
- ceramic
- microhardness
- beats
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 8
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 7
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 1
- SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N aluminum magnesium Chemical compound [Mg].[Al] SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционного порошкового материала системы керамика-металл. Может использоваться для нанесения износостойких функциональных покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления. Керамический порошок с микротвердостью 20,0-20,8 ГПа обработку в дезинтеграторе при скорости вращения роторов дезинтегратора в пересчете на линейную скорость от 160 м/с до 180 м/с и частоте ударов от 7200 до 8000 уд/с с получением порошка, содержащего плакированную металлом керамическую матрицу. Полученный порошок системы керамика-металл подвергают обработке с наноразмерным керамическим порошком фракции 40-80 нм с микротвердостью 32,0-34,8 ГПа в дезинтеграторе при скорости вращения роторов дезинтегратора 220-280 м/с в пересчете на линейную скорость и частоте ударов от 10000 уд/с до 12000 уд/с. Обеспечивается возможность формирования покрытий с высокой микротвердостью и износостойкостью. 1 з.п. ф-лы, 2 пр.
Description
Изобретение относится к области получения композиционных порошковых материалов для создания износостойких функциональных покрытий.
Известны способы получения композиционных порошков для создания покрытий с высокими эксплуатационными свойствами. Это патент RU №2382690 от 27.02.2010 г., патент RU №2462526 от 27.09.2012 г., патент RU №2561615 от 04.08.2015 г., патент RU №2263089 от 25.02.2004 г., патент RU №2298450 от 07.06.2005 г., патент RU №2246379 от 25.02.2004 г.
За прототип выбран способ получения композиционного материала системы металл-керамика износостойкого класса по патенту RU 2460815 от 10.09.2012 г. Согласно этому патенту получают порошок путем обработки его в высокоскоростном дезинтеграторе с помощью двух роторов с измельчающими элементами, изготовленными из плакирующего материала твердостью ниже твердости материала матричной основы порошка. Таким образом, плакирующий слой «намазывается» на твердую матрицу, достигая степени плакирования порошка до 65%.
Недостатком известных способов получения композиционных порошков, в т.ч. и сплава-прототипа, является низкая микротвердость и соответственно низкая износостойкость покрытий из этих порошков пг и воздействии динамических нагрузок. Микротвердость при этом не превышает 15-200 HV, а адгезионная прочность - 30 МПа.
Современное прецизионное машиностроение предъявляет высокие требования к этим параметрам: например, для пар трения водозаборной арматуры микротвердость не ниже 900 HV, а адгезионная прочность не ниже 200 МПа.
Техническим результатом данного изобретения является создание способа получения композиционного порошкового материала с керамической матрицей, плакированной пластичным металлическим материалом, поверхность которого армирована наноразмерными керамическими частицами с высокой микротвердостью для нанесения функциональных покрытий с высокой микровердостью 1050-1100HV и износостойкостью до 1,4×10-9 мм/км.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения композиционного порошкового материала сначала получают порошок из керамического материала, плакированного металлическим пластификатором путем обработки керамического порошкр в дезинтеграторе с помощью роторов с измельчающими элементами из более мягкого материала, чем обрабатываемый керамический порошок. Затем полученный таким образом плакированный порошок повторно обрабатывают в другом дезинтеграторе совместно с наноразмерным керамическим порошком с высокой микротвердостью. В результате такого механосинтеза получают композиционный порошок, состоящий из керамической матрицы, плакированной металлическим пластификатором путем обработки керамического порошка в дезинтеграторе с помощью роторов с измельчающими элементами из более мягкого материала, чем обрабатываемый керамический порошок. Затем полученный таким образом плакированный порошок повторно обрабатывают в другом дезинтеграторе совместно с наноразмерным керамическим порошком с высокой микротвердостью.
В качестве исходного матричного материала используются порошки с микротвердостью 20,0-20,8 ГПа. Обработку этого порошка для получения плакированного композита производится в дезинтеграторе в среде аргона. Измельчающие элементы роторов дезинтегратора измельчающими элементами из более мягкого материала, чем обрабатываемый керамический порошок. Скорость вращения роторов дезинтегратора в пересчете на линейную скорость составляет от 160 м/с до 180 м/с, при частоте ударов от 7200 до 8000 ударов в секунду. Уменьшение скорости вращения роторов дезинтегратора не позволит получить высокую адгезии плакирующего материла. Увеличение скорости вращения роторов дезинтегратора свыше 180 м/с не рационально, так как приводит к увеличению энергозатрат без дополнительного положительного эффекта. Толщина получение; о плакированного слоя составляет от 4 до 8 мкм.
Далее, полученный таким образом порошок обрабатывают в дезинтеграторе совместно с наноразмерным порошком фракции 40-80 нм и микротвердостью 32-34,8 ГПа, скорость вращения роторов дезинтегратора при этом составляет 220-280 м/с в пересчете на линейную скорость, при частоте ударов от 10000 уд/с до 12000 уд/с.При скорости вращения роторов дезинтегратора менее 220 м/с не обеспечивается высокая адгезия нанопорошка Увеличение скорости вращения роторов дезинтегратора свыше 280 м/с приводит к увеличению энергозатрат. Использование порошка фракции 40-80 нм позволяет обеспечить покрытие поверхности армированного порошка на 75-80%. Высокая микротвердость наноразмерного порошка обеспечивает высокую микротведость покрытия 1050-1100HV и износостойкость покрытия до 1,4×10-9 мм/км.
Пример 1:
В качестве исходного матричного материала был выбран порошок карбида вольфрама WC фракции 20-30 мкм с микротвердостью 20,8 ГПа, полученный плазмохимическим методом. Обработку этого порошка для получения плакированного композита производили на дезинтеграторе ДЕЗИ-15 в среде аргона. Измельчающие элементы роторов были изготовлены из пластичного алюминиево-магниевого сплава АМг-6. Скорость вращения роторов в пересчете на линейную скорость составляла 180 м/с при частоте ударов 8000 уд./с. Толщина полученного плакированного слоя, определенная на атомно-силовом микроскопе типа NanoScan, составляла 5-8 мкм.
Полученный таким образом плакированный порошок обрабатывался в дальнейшем на высокоскоростном дезинтеграторе марки В-15 совместно с наноразмерным порошком диборида титана TiB2 фракции 50-80 нм и микротвердостью 34,8 ГПа. Скорость вращения роторов составляла 280 м/с при частоте ударов 12000 уд./с.Частоту ударов определяли расчетным путем, исходя из скорости вращения роторов, количества ударных элементов и дозированного поступления порошкового материала в рабочую зону дезинтегратора. Покрытая поверхность армированного порошка составляла 80-85%. Напыление с помощью холодного газодинамического напыления (ХГДН) производится из двух автономно работающих дозаторов, в одном из которых находится плакированный, а в другом - армированный порошок. Вначале для получения адгезионного подслоя включается дозатор с плакированным порошком и напыляется слой толщиной 40-60 мкм с высокой адгезионной прочностью с подложкой. Затем этот дозатор отключается и осуществляется напыление функционального слоя с высокой микротвердостью и износостойкостью из второго дозатора.
Композиционный порошок был использован для нанесения функциональных покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления на установке ДИМЕТ-ЗМ с программным управлением с помощью комплекса Kawasaki. Скорость гетерофазного потока, измеренная с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости, составляла 620-650 м/с. В качестве подложки использовали сталь Х15Ю5 в виде ленты шириной 150 мм и толщиной 3 мм. Получено покрытие толщиной 80-100 мкм с микротвердостью 1050-1100 HV. Износостойкость измеряли на специализированной установке УМТ-2168 в условиях сухого трения при экстремальных условиях работы - пуск и остановка двигателя, прекращение подачи смазки при нагрузке 360 н. Установлено, что при таких режимах износостойкость высока и составляет 1,2⋅10-9 мм/км.
Адгезионная прочность, измеренная с помощью универсальной разрывной машины Instron 1000, также имеет высокие значения и составляет 280-320 МПа.
Пример 2:
В качестве исходного матричного материала использовался белый электрокорунд марки 25А со средним размером частиц 40 мкм с микротвердостью 20,0 ГПа. Обработку этого порошка производили, как в примере 1, на дезинтеграторной установке ДЕЗИ-15. Скорость вращения роторов составляла, в пересчете на линейную скорость, 160 м/с при частоте ударов 7200 уд./с.
Толщина плакированного слоя после обработки на дезинтеграторе составляет 4-6 мкм.
Затем плакированный порошок обрабатывался в дезинтеграторе В-15 совместно с наноразмерным порошком карбида титана TiC с микротвердостью 32,0 ГПа фракции 40-60 нм.
Скорость вращения роторов составляла, в пересчете на линейную скорость, 220 м/с при частоте ударов 10000 уд/с. Покрытая поверхность армированного порошка составляла 75-80%.
Из полученного композиционного порошка на установке ДИМЕТ-3 было нанесено функциональное покрытие. Скорость гетерофазного потока составляла 580-600 м/с. В качестве подложки использовалась лента из нихрома Х20Н80 шириной 100 мм и толщиной 2 мм. Полученное покрытие имеет толщину 100-120 мкм. Микротвердость покрытия составляет 980-1020 HV, а износостойкость составляет 1,4×10-9 мм/км.
По своим характеристикам полученное покрытие рекомендуется для практического использования. Была изготовлена опытная партия (52 образца) элементов водозапорной арматуры и 40 образцов элементов специальной строительной техники. Испытания прошли успешно.
Claims (2)
1. Способ получения композиционного порошкового материала системы керамика-металл для нанесения функциональных покрытий, включающий обработку керамического порошка в дезинтеграторе с роторами с получением порошка, содержащего плакированную металлом керамическую матрицу, отличающийся тем, что сначала проводят обработку керамического порошка с микротвердостью 20,0-20,8 ГПа в дезинтеграторе с роторами, имеющими измельчающие элементы, изготовленные из плакирующего металлического материала с твердостью ниже твердости обрабатываемого керамического порошка, при скорости вращения роторов дезинтегратора в пересчете на линейную скорость от 160 м/с до 180 м/с и частоте ударов от 7200 до 8000 уд/с с получением порошка, содержащего плакированную металлом керамическую матрицу, после чего полученный порошок системы керамика-металл подвергают обработке с наноразмерным керамическим порошком фракции 40-80 нм с микротвердостью 32,0-34,8 ГПа в дезинтеграторе при скорости вращения роторов дезинтегратора 220-280 м/с в пересчете на линейную скорость и частоте ударов от 10000 уд/с до 12000 уд/с.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве плакирующего металла наносят сплавы на основе алюминия.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816077C1 true RU2816077C1 (ru) | 2024-03-26 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2319718C2 (ru) * | 2006-03-13 | 2008-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет)" | Композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения |
| RU2460815C2 (ru) * | 2010-09-22 | 2012-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" Фгуп "Цнии Км "Прометей" | Способ получения композиционного порошкового материала системы металл - керамика износостойкого класса |
| RU2561615C1 (ru) * | 2014-07-08 | 2015-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения композиционного плакированного порошка для нанесения покрытий |
| CN104874791B (zh) * | 2015-06-15 | 2017-03-29 | 中南大学 | 一种粉末冶金用核壳结构锰源粉末及其制备方法 |
| WO2018128656A1 (en) * | 2017-01-06 | 2018-07-12 | General Electric Company | Core-shell alloy powder for additive manufacturing, an additive manufacturing method and an additively manufactured precipitation dispersion strengthened alloy component |
| CN111069622A (zh) * | 2018-10-18 | 2020-04-28 | 株式会社则武 | 核壳颗粒及其利用 |
| CN111097903A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-05-05 | 邵阳学院 | 一种用于制备热喷涂涂层的核壳结构粉体及其制备方法 |
| RU2727436C1 (ru) * | 2019-08-01 | 2020-07-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Способ синтеза порошков со структурой ядро-оболочка |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2319718C2 (ru) * | 2006-03-13 | 2008-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет)" | Композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения |
| RU2460815C2 (ru) * | 2010-09-22 | 2012-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" Фгуп "Цнии Км "Прометей" | Способ получения композиционного порошкового материала системы металл - керамика износостойкого класса |
| RU2561615C1 (ru) * | 2014-07-08 | 2015-08-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения композиционного плакированного порошка для нанесения покрытий |
| CN104874791B (zh) * | 2015-06-15 | 2017-03-29 | 中南大学 | 一种粉末冶金用核壳结构锰源粉末及其制备方法 |
| WO2018128656A1 (en) * | 2017-01-06 | 2018-07-12 | General Electric Company | Core-shell alloy powder for additive manufacturing, an additive manufacturing method and an additively manufactured precipitation dispersion strengthened alloy component |
| CN111069622A (zh) * | 2018-10-18 | 2020-04-28 | 株式会社则武 | 核壳颗粒及其利用 |
| RU2727436C1 (ru) * | 2019-08-01 | 2020-07-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Способ синтеза порошков со структурой ядро-оболочка |
| CN111097903A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-05-05 | 邵阳学院 | 一种用于制备热喷涂涂层的核壳结构粉体及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Irissou et al. | Investigation of Al-Al2O3 cold spray coating formation and properties | |
| Rezzoug et al. | Thermal spray metallisation of carbon fibre reinforced polymer composites: Effect of top surface modification on coating adhesion and mechanical properties | |
| Murthy et al. | Effect of grinding on the erosion behaviour of a WC–Co–Cr coating deposited by HVOF and detonation gun spray processes | |
| Vencl et al. | Possibility of the abrasive wear resistance determination with scratch tester | |
| Pantelis et al. | Tribological behaviour of plasma-sprayed Al2O3 coatings under severe wear conditions | |
| Maurer et al. | Erosion resistant titanium based PVD coatings on CFRP | |
| CN1642734A (zh) | 多层隔热涂层 | |
| Tarelnyk et al. | Electrode materials for composite and multilayer electrospark-deposited coatings from Ni–Cr and WC–Co alloys and metals | |
| Pakseresht et al. | Micro-structural study and wear resistance of thermal barrier coating reinforced by alumina whisker | |
| Hong et al. | Cavitation erosion behavior and mechanism of HVOF sprayed WC-10Co-4Cr coating in 3.5 wt% NaCl solution | |
| Szala et al. | Effect of Atmospheric Plasma Sprayed TiO 2-10% NiAl Cermet Coating Thickness on Cavitation Erosion, Sliding and Abrasive Wear Resistance. | |
| Günen | Micro-abrasion wear behavior of thermal-spray-coated steel tooth drill bits | |
| Góral et al. | The effect of the standoff distance on the microstructure and mechanical properties of cold sprayed Cr3C2-25 (Ni20Cr) coatings | |
| Chen et al. | Microstructure, mechanical properties and dry sliding wear behavior of Cu-Al 2 O 3-graphite solid-lubricating coatings deposited by low-pressure cold spraying | |
| Sharma et al. | Development and characterization of high-velocity flame sprayed Ni/TiO 2/Al 2 O 3 coatings on hydro turbine steel | |
| CA2743226A1 (en) | Anti-erosion layer for aerodynamic components and structures and method for the production thereof | |
| Fals et al. | Slurry erosion resistance of thermally sprayed Nb2O5 and Nb2O5+ WC12Co composite coatings deposited on AISI 1020 carbon steel | |
| Liberati et al. | Influence of secondary component hardness when cold spraying mixed metal powders on carbon fiber reinforced polymers | |
| RU2816077C1 (ru) | Способ получения композиционного порошкового материала для нанесения функциональных покрытий с высокой износостойкостью | |
| Malvi et al. | Elevated temperature erosion of plasma sprayed thermal barrier coating | |
| Hadad et al. | Wear performance of sandwich structured WC–Co–Cr thermally sprayed coatings using different intermediate layers | |
| Gautam et al. | Microstructure and wear behavior of single layer (CrN) and multilayered (SiN/CrN) coatings on particulate filled aluminum alloy composites | |
| Kumar et al. | Slurry erosion behavior of thermally sprayed ceramic nanocomposite coatings on turbine steel | |
| Sharma et al. | Performance investigation of high velocity flame sprayed multi-dimensional Ni-TiO2 and Ni-TiO2-Al2O3 coated hydro turbine steel under slurry erosion | |
| Zhang et al. | Effect of SiC deposition behavior on microstructure and mechanical properties of cold-sprayed Al5056/SiC composite coatings |