RU2518037C1

RU2518037C1 - METHOD OF ELECTROEXPLOSIVE SPUTTERING OF COMPOSITE WEAR-RESISTANT COATINGS OF SYSTEM TiC-Mo ON FRICTION SURFACE

Info

Publication number: RU2518037C1
Application number: RU2013113149/02A
Authority: RU
Inventors: Денис Анатольевич Романов; Ольга Васильевна Олесюк; Евгений Александрович Будовских; Виктор Евгеньевич Громов
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-06-10

Abstract

FIELD: blasting operations.

SUBSTANCE: method comprises placing a powder sample of titanium carbide between two layers of molybdenum foil, the foil electric explosion with the formation of pulsed multiphase plasma jet, melting with the plasma jet of the friction surface at the value of the specific energy flux of 3.5-4.5 GW/m² and sputtering on melted layer of components of the plasma jet, followed by self-hardening and production of a composite coating comprising titanium carbide and molybdenum.

EFFECT: increase in wear resistance and microhardness of the coating, increase in adhesion of the coating to the substrate.

5 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности к технологии электровзрывного напыления композиционных покрытий системы TiC-Mo с применением в качестве взрываемого материала молибденовой фольги совместно с навеской порошка карбида титана, и может быть использовано в машиностроении для формирования поверхностей с высокой износостойкостью и микротвердостью.The invention relates to a technology for applying coatings to metal surfaces, in particular, to technology for electric explosive spraying of composite coatings of the TiC-Mo system using molybdenum foil as an explosive material together with a weighed titanium carbide powder, and can be used in mechanical engineering to form surfaces with high wear resistance and microhardness.

Известен способ [1] вакуумного плазменного напыления композиционных покрытий системы TiC-Mo, включающий приготовление смеси порошков молибдена и карбида титана в шаровой мельнице в течение 8 часов и вакуумное плазменное напыление полученной смеси при давлении в камере 100…300 Мбар, расстоянии напыления 260…320 мм, однократной дозой порошка 33…41 кВт, первичном газе аргоне в количестве 35…50 л/мин, вторичном газе водороде в количестве 8…10 л/мин, скорость подачи порошка 22…30 г/мин, скорость движения пистолета 400 м/с.The known method [1] of vacuum plasma spraying of composite coatings of the TiC-Mo system, comprising preparing a mixture of molybdenum and titanium carbide powders in a ball mill for 8 hours and vacuum plasma spraying of the resulting mixture at a chamber pressure of 100 ... 300 Mbar, spraying distance 260 ... 320 mm, a single dose of powder 33 ... 41 kW, the primary gas of argon in the amount of 35 ... 50 l / min, the secondary gas of hydrogen in the amount of 8 ... 10 l / min, the feed rate of the powder 22 ... 30 g / min, the speed of the gun 400 m / from.

Недостатком способа является низкая адгезия покрытия с основой, а также его многостадийный характер, что ограничивает его производительность. В композиционном покрытии, полученном этим способом, присутствует пористость. Наличие пористости в готовом композиционном покрытии в ряде случаев снижает его износостойкость.The disadvantage of this method is the low adhesion of the coating to the base, as well as its multi-stage nature, which limits its performance. In the composite coating obtained by this method, porosity is present. The presence of porosity in the finished composite coating in some cases reduces its wear resistance.

Наиболее близким к заявляемому является способ [2] электровзрывного нанесения металлических покрытий на алюминиевые контактные поверхности, включающий формирование импульсной многофазной плазменной струи продуктов электрического взрыва проводников и воздействие ею на контактную поверхность, воздействие на контактную поверхность осуществляют в вакууме при нагреве поверхности до температуры плавления материала с формированием на ней рельефа покрытия и при пороговом значении удельного потока энергии плазменной струи q, определяемом по соотношению:Closest to the claimed is a method [2] of electric explosive deposition of metal coatings on aluminum contact surfaces, including the formation of a pulsed multiphase plasma jet of electrical explosion products of conductors and its impact on the contact surface, the contact surface is carried out in vacuum when the surface is heated to the melting temperature of the material with the formation of a coating relief on it and at a threshold value of the specific flux of plasma jet energy q, determined by by ratio:

$q = T λ \sqrt{\frac{π}{4 χ τ}}$

,

q = T λ \sqrt{\frac{π}{four χ τ}}

,

где T - температура плавления металла; % и χ - средние значения температуро- и теплопроводности металла в интервале температур от комнатной до температуры плавления; τ - время импульса.where T is the melting temperature of the metal; % and χ are the average values of the thermal and thermal conductivity of the metal in the temperature range from room temperature to the melting point; τ is the pulse time.

Недостатком прототипа является формирование покрытий при пороговом значении удельного потока энергии, когда напыляемая поверхность нагревается до температуры плавления. В этом случае покрытие имеет адгезионную связь с основой. При напылении покрытий с оплавлением поверхности образуется промежуточный слой взаимного смешивания материалов покрытия и основы, в результате чего покрытие имеет более прочную адгезионно-когезионную связь с основой. Кроме того, прототип предполагает нанесение покрытий с высокой электропроводностью, например медных покрытий на алюминиевые контактные поверхности. Однако в ряде случаев необходимо формирование покрытий, обладающих другими высокими функциональными свойствами, например износостойкостью. Электровзрывное напыление износостойких покрытий возможно при внесении в плазменную струю порошковых частиц высокотвердых износостойких материалов и переносе их на облучаемую поверхность.The disadvantage of the prototype is the formation of coatings at a threshold value of the specific energy flux when the sprayed surface is heated to the melting temperature. In this case, the coating has an adhesive bond with the base. When spraying coatings with surface melting, an intermediate layer of mutual mixing of the coating materials and the base is formed, as a result of which the coating has a stronger adhesive-cohesive bond with the base. In addition, the prototype involves the application of coatings with high electrical conductivity, for example, copper coatings on aluminum contact surfaces. However, in some cases, it is necessary to form coatings with other high functional properties, for example, wear resistance. Electro-explosive spraying of wear-resistant coatings is possible when high-hard wear-resistant materials are introduced into the plasma jet of powder particles and transferred to an irradiated surface.

Задачей заявляемого изобретения является получение на поверхностях трения композиционных покрытий системы TiC-Mo, обладающих высокими значениями износостойкости, микротвердости и адгезионно-когезионную связью с основой.The objective of the invention is to obtain on the friction surfaces of composite coatings of the TiC-Mo system with high values of wear resistance, microhardness and adhesive-cohesive bond with the base.

Поставленная задача реализуется способом электровзрывного напыления композиционных износостойких покрытий системы TiC-Mo на поверхности трения.The problem is realized by the method of electric explosive spraying of composite wear-resistant coatings of the TiC-Mo system on the friction surface.

Способ включает размещение порошковой навески из карбида титана между двумя слоями молибденовой фольги, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5...4,5 ГВт/м и напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден.The method includes placing a powder sample of titanium carbide between two layers of molybdenum foil, an electric explosion of the foil with the formation of a pulsed multiphase plasma jet, melting it with a friction surface with a specific energy flux of 3.5 ... 4.5 GW / m and spraying onto the melted layer components of the plasma jet, followed by self-hardening and the formation of a composite coating containing titanium carbide and molybdenum.

Согласно работе [1] покрытия системы TiC-Mo обладают высокой износостойкостью и микротвердостью.According to [1], TiC-Mo system coatings have high wear resistance and microhardness.

Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к структуре, получаемой в прототипе. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании композиционного покрытия TiC-Mo, характеризующегося высокой адгезией с основой на уровне когезии и отсутствием пористости, что делает возможным осуществление локального повышения износостойкости поверхности деталей трения в местах их наибольшего разрушения в условиях эксплуатации.The structure of the coating obtained by the claimed method is closest to the structure obtained in the prototype. The advantage of the proposed method compared to the prototype is the formation of a composite coating TiC-Mo, characterized by high adhesion with a base at the level of cohesion and the absence of porosity, which makes it possible to carry out a local increase in the wear resistance of the surface of friction parts in the places of their greatest destruction under operating conditions.

Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения покрытия системы TiC-Mo на поверхности трения, на фиг.2 - микрофотография поперечного шлифа покрытия, на фиг.3 - композиционная наполненная структура покрытия с соотношением молибденовой матрицы и упрочняющих включений карбида титана 2:1, на фиг.4 - композиционная наполненная структура покрытия с соотношением молибденовой матрицы и упрочняющих включений карбида титана 1,5:1, на фиг.4 - композиционная наполненная структура покрытия с соотношением молибденовой матрицы и упрочняющих включений карбида титана 1:1.The method is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows a diagram of a pulsed plasma accelerator for coating a TiC-Mo system on a friction surface, Fig. 2 is a micrograph of a transverse thin section of a coating, Fig. 3 is a composite filled coating structure with a ratio of molybdenum matrix and reinforcing inclusions of titanium carbide 2: 1, figure 4 - composite filled coating structure with a ratio of molybdenum matrix and reinforcing inclusions of titanium carbide 1.5: 1, figure 4 - composite filled coating structure with a corresponding Ocean molybdenum matrix and reinforcing inclusions of titanium carbide 1: 1.

Плазменный ускоритель состоит из коаксиально-торцевой системы токоподводящих электродов - внутреннего электрода 1, внешнего электрода 2, разделенных изолятором 3, и разрядной камеры 4, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумную технологическую камеру. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 5 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи.The plasma accelerator consists of a coaxial-end system of current-supplying electrodes - an internal electrode 1, an external electrode 2, separated by an insulator 3, and a discharge chamber 4, which localizes the products of the explosion and passes into the nozzle through which they flow into the vacuum process chamber. An electric explosion occurs as a result of the passage of high-density current through the conductor 5 during the discharge of a capacitor bank.

Из продуктов взрыва и порошковой навески с помощью плазменного ускорителя формируется импульсная многофазная плазменная струя, которая направляется на поверхность трения под прямым углом.Using the plasma accelerator, a pulsed multiphase plasma jet is formed from the explosion products and the powder sample, which is directed to the friction surface at a right angle.

Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что после обработки поверхности трения плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва двухслойной молибденовой фольги с размещенной в ней порошковой навеской карбида титана в режимах, при которых удельный поток энергии составляет 3,5…4,5 ГВт/м², происходит формирование однородного по объему композиционного покрытия системы TiC-Mo, максимальная толщина которого за один импульс обработки достигает 400…410 мкм. Использование двухслойной фольги позволяет увеличить коэффициент использования материала порошковой навески при напылении покрытий. Покрытие имеет когезионно-адгезионную связь с материалом контактной поверхности. Несмотря на то, что при напылении поверхность основы оплавляется, вследствие использования в качестве взрываемого проводника молибденовой фольги на границе покрытия с основой, например сталью 45, хрупкие интерметаллидные фазы не образуются. При этом как видно из фиг.2 видимая резкая граница между покрытием и основой отсутствует.Scanning electron microscopy studies showed that after treating the friction surface with a plasma jet formed from the products of an electric explosion of a two-layer molybdenum foil with a titanium carbide powder sample placed in it under conditions in which the specific energy flux is 3.5 ... 4.5 GW / m ² , the formation of a uniform in volume composite coating of the TiC-Mo system takes place, the maximum thickness of which reaches 400 ... 410 microns per processing pulse. The use of a two-layer foil allows to increase the utilization of the powder material for spraying coatings. The coating has a cohesive-adhesive bond with the material of the contact surface. Despite the fact that during sputtering, the surface of the base melts, due to the use of molybdenum foil as an exploding conductor at the boundary of the coating with the base, for example steel 45, brittle intermetallic phases are not formed. Moreover, as can be seen from figure 2, there is no visible sharp boundary between the coating and the base.

Указанные режимы являются оптимальными, поскольку при электровзрывном напылении поверхностей трения в режиме, когда удельный поток энергии ниже 3,5 ГВт/м², тогда не происходит равномерного перемешивания карбида титана и молибдена в формируемом покрытии, а когда выше 4,5 ГВт/м², тогда происходит формирование развитого рельефа поверхности вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва, что ухудшает качество поверхности формируемого покрытия.The indicated modes are optimal, since during the electric explosion spraying of friction surfaces in the mode when the specific energy flow is lower than 3.5 GW / m ² , then there is no uniform mixing of titanium carbide and molybdenum in the coating being formed, and when above 4.5 GW / m ² then a developed surface relief is formed due to the flow of the melt under the influence of inhomogeneous pressure of the jet of explosion products, which affects the surface quality of the formed coating.

Рентгеноструктурные исследования показали, что во всех режимах обработки формируются композиционные покрытия, содержащие TiC и Мо. Содержание молибдена в покрытии при использованных режимах обработки изменяется пропорционально соотношению масс молибденовой фольги и порошка карбида титана.X-ray diffraction studies showed that composite coatings containing TiC and Mo are formed in all treatment modes. The molybdenum content in the coating under the used processing conditions varies in proportion to the mass ratio of the molybdenum foil and titanium carbide powder.

Примеры конкретного осуществления способаExamples of specific implementation of the method

Пример 1Example 1

Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из карбида титана массой 50 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 3,5 ГВт/м² и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден.A 50 mg titanium carbide powder sample was placed inside a two-layer 100 mg molybdenum foil. An electric explosion of the foil was carried out with the formation of a pulsed multiphase plasma jet, it melted the surface of steel 45 at a specific energy flux of 3.5 GW / m ² and the components of the plasma jet were sprayed onto the melted layer, followed by self-hardening and the formation of a composite coating containing titanium carbide and molybdenum.

На поверхности трения получили покрытие системы TiC-Mo толщиной 60 мкм с равномерно распределенными по объему частицами карбида титана в молибденовой матрице, содержащее 75 об.% Мо и 25 об.% TiC, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.A 60 μm thick TiC-Mo system coating was obtained on the friction surface with titanium carbide particles uniformly distributed over the volume in a molybdenum matrix containing 75 vol.% Mo and 25 vol.% TiC, which has high wear resistance and cohesion-adhesion bond with the base.

Пример 2Example 2

Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из карбида титана массой 150 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 4,0 ГВт/м и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден.A powder sample of titanium carbide weighing 150 mg was placed inside a two-layer molybdenum foil weighing 100 mg. An electric explosion of the foil was carried out with the formation of a pulsed multiphase plasma jet, it melted the surface of steel 45 at a specific energy flux of 4.0 GW / m and the components of the plasma jet were sprayed onto the molten layer, followed by self-hardening and the formation of a composite coating containing titanium carbide and molybdenum.

На поверхности трения получили покрытие системы TiC-Mo толщиной 150 мкм с равномерно распределенными по объему частицами карбида титана в молибденовой матрице, содержащее 25 об.% Мо и 75 об.% TiC, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.A 150 μm thick TiC-Mo system coating was obtained on the friction surface with titanium carbide particles uniformly distributed over the volume in a molybdenum matrix containing 25 vol.% Mo and 75 vol.% TiC, which has high wear resistance and cohesion-adhesion bond with the base.

Пример 3Example 3

Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из карбида титана массой 100 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 4,5 ГВт/м² и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден.A 100 mg titanium carbide powder sample was placed inside a two-layer molybdenum foil weighing 100 mg. An electric explosion of the foil was carried out with the formation of a pulsed multiphase plasma jet, it melted the surface of steel 45 at a specific energy flux of 4.5 GW / m ² and the components of the plasma jet were sprayed onto the melted layer, followed by self-hardening and the formation of a composite coating containing titanium carbide and molybdenum.

На поверхности трения получили покрытие системы TiC-Mo толщиной 250 мкм с равномерно распределенными по объему частицами карбида титана в молибденовой матрице, содержащее 50 об.% Мо и 50 об.% TiC, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.On the friction surface, a TiC-Mo system coating with a thickness of 250 μm was obtained with titanium carbide particles uniformly distributed over the volume in a molybdenum matrix containing 50 vol.% Mo and 50 vol.% TiC, which has high wear resistance and cohesion-adhesion bond with the base.

Источники информацииInformation sources

1. Fukushima Т. High temperature properties of TiC/Mo coatings by thermal spraying. Journal of High Temperature Society. - 2002. - Vol.28. - No. 4. - p.171-175.1. Fukushima T. High temperature properties of TiC / Mo coatings by thermal spraying. Journal of High Temperature Society. - 2002. - Vol. 28. - No. 4. - p. 171-175.

2. Патент РФ №2422555 на изобретение «Способ электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности» / Будовских Е.А., Романов Д.А., заявл. 14.12.2009, опубл. 27.06.2011, Бюл. №18. 7 с.2. RF patent No. 2422555 for the invention "Method of electroexplosive deposition of metal coatings on contact surfaces" / Budovsky EA, Romanov DA, decl. 12/14/2009, publ. 06/27/2011, Bull. Number 18. 7 sec

Claims

The method of electric explosive spraying of a composite wear-resistant coating of a TiC-Mo system on a friction surface, characterized in that a powder sample of titanium carbide is placed between two layers of molybdenum foil, an electric explosion of the foil is carried out with the formation of a pulsed multiphase plasma jet, it is melted by the friction surface at a specific flux value an energy of 3.5 ... 4.5 GW / m ^2, and spraying on the melted layer of the plasma jet components, followed by self-hardening and the formation of composite PTFE coating comprising titanium carbide and molybdenum.