RU2763698C1 - Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products - Google Patents
Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2763698C1 RU2763698C1 RU2021128392A RU2021128392A RU2763698C1 RU 2763698 C1 RU2763698 C1 RU 2763698C1 RU 2021128392 A RU2021128392 A RU 2021128392A RU 2021128392 A RU2021128392 A RU 2021128392A RU 2763698 C1 RU2763698 C1 RU 2763698C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microns
- fraction
- aluminum
- coating
- layer
- 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
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
- C23C24/085—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
-
- 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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
- C25D11/06—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used
- C25D11/08—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used containing inorganic acids
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания защитных функционально-градиентных покрытий на поверхности металлических изделий, обладающих высокой износостойкостью в контактных средах (пары трения гидромоторов, гидронасосов). Так же изобретение относится к области материаловедения, машиностроения и химической промышленности. The invention relates to the field of creating protective functionally graded coatings on the surface of metal products with high wear resistance in contact media (friction pairs of hydraulic motors, hydraulic pumps). The same invention relates to the field of materials science, mechanical engineering and chemical industry.
Известны способы защиты металлов [1], заключающиеся в том, что на поверхность сталей наносят керамические 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 of protection of metals [1], which consists in the fact that ceramic coatings based on nitrides and borides of titanium, zirconium, tungsten carbides, aluminum-magnesium spinel are applied to the surface of steels. Coatings are formed by plasma spraying. At the same time, it is assumed that the creation of ceramic coatings will prevent the corrosion destruction of the metal matrix during operation at elevated temperatures. The disadvantages of the methods include the formation of thin coatings that can collapse due to cyclic thermomechanical stresses during prolonged corrosion exposure, due to a significant difference in thermal expansion coefficients (TEC) at a pronounced ceramic-metal interface.
Функциональное покрытие на стальной основе [2] 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. 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-жeлезо» на толщину алюминиевого слоя, который не подвергся оксидированию. Результатом станет охрупчивание покрытия из-за ухудшения адгезии на границе «интерметаллидный слой-керамика».A functional coating on a steel base [2] is formed by aluminum plasma spraying, 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 aluminum layer is up to 10%. The disadvantages of the method are that the plasma spraying of aluminum leads to the formation of a porous coating. An aggressive environment, upon contact with the surface, can penetrate into the steel through the through pores of the oxidized and aluminum layer. Also at temperatures of contact interaction 400 - 600 °C At the “coating-steel” interface, the processes of diffusion of aluminum into iron actively proceed, which can lead to the formation of intermetallic compounds of the “aluminum-iron” system up to the thickness of the aluminum layer that has not undergone oxidation. The result will be the embrittlement of the coating due to the deterioration of adhesion at the "intermetallic layer-ceramic" interface.
В способе [3] предлагается для формирования предварительного слоя использовать электродуговую металлизацию со сверхзвуковой скоростью истечения воздуха из распылительной головки металлизатора. Электродуговая металлизация проводится с использованием присадочной проволоки АМц-3. При осуществлении данного способа происходит нагрев поверхности защищаемого материала, который приводит к нежелательному изменению структуры и свойств этого материала.In the method [3], it is proposed to use electric arc metallization with a supersonic speed of air outflow from the spray head of the metallizer to form a preliminary layer. Electric arc metallization is carried out using filler wire AMts-3. When implementing this method, the surface of the protected material is heated, which leads to an undesirable change in the structure and properties of this material.
Способ [4] включает предварительную подготовку поверхности, приращение этой поверхности, механическую обработку и упрочнение микродуговым оксидированием, при этом предварительную подготовку проводят, используя кубический нитрид бора зернистостью 125-150 мкм при давлении сжатого воздуха 0,60-0,65 МПа и дистанции обработки 80-90 мм до шероховатости поверхности Rz=100-110 мкм, приращение поверхности осуществляется сверхзвуковым газодинамическим напылением, где в качестве рабочего газа используется гелий под давлением 0,40-0,45 МПа, а в качестве напыляемого материала - алюминиевый порошок с размером частиц 110-125 мкм, причем МДО ведут в силикатно-щелочном электролите, содержащем 2 г/л едкого калия и 8 г/л жидкого стекла при плотности тока 26-27 А/дм2 в течение 70-75 мин.The method [4] includes preliminary surface preparation, increment of this surface, mechanical processing and hardening by microarc oxidation, while preliminary preparation is carried out using cubic boron nitride with a grain size of 125-150 μm at a compressed air pressure of 0.60-0.65 MPa and processing distance 80-90 mm to surface roughness R z =100-110 μm, the surface increment is carried out by supersonic gas-dynamic spraying, where helium at a pressure of 0.40-0.45 MPa is used as a working gas, and aluminum powder with a size of particles 110-125 microns, and MAO is carried out in a silicate-alkaline electrolyte containing 2 g/l of caustic potassium and 8 g/l of liquid glass at a current density of 26-27 A/dm 2 for 70-75 minutes.
Однако использование порошка фракцией 100-120 мкм не позволяет получать покрытия с минимальной пористостью, что значительно ухудшает стойкость покрытия к износу. Экономически нецелесообразно использование гелия при сверхзвуковом газодинамическом напылении алюминия, ввиду его более высокой стоимости (в десять раз) по сравнению с воздухом.However, the use of a powder with a fraction of 100–120 μm does not make it possible to obtain coatings with minimal porosity, which significantly worsens the wear resistance of the coating. It is not economically feasible to use helium for supersonic gas-dynamic spraying of aluminum, due to its higher cost (ten times) compared to air.
Наиболее близким предлагаемым решением можно считать формирование функционально-градиентного покрытия, согласно патенту [5]. Изобретение относится к области создания защитных керамоматричных покрытий на поверхности сталей, обладающих высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью в агрессивных средах при температурах контактного взаимодействия 400 - 600 °С за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев.The closest proposed solution can be considered the formation of a functionally graded coating, according to the patent [5]. The invention relates to the field of creating protective ceramic-matrix coatings on the surface of steels with high corrosion resistance and wear resistance in aggressive environments at contact interaction temperatures of 400 - 600 ° C due to changes in the composition and structure of their surface layers.
Способ заключается в том, что на стальную поверхность методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления наносится порошок чистого алюминия фракцией 20-60 мкм. При этом 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 60-80 мкм и на 80% из порошка алюминия фракцией 20-60 мкм, армированного свыше 50% наноразмерными частицами корунда фракцией до 500 нм. При этом 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 состава: силикат натрия – 9 г/л, гидроксид калия – 2 г/л, остальное – вода. Продолжительность микродугового оксидирования составляет 1,5-2 часа, образуется внешний керамический оксидный МДО-слой внутрь упрочненного алюминиевого второго слоя с наночастицами корунда на некоторую толщину с открытой пористостью не более 10 %.The method consists in the fact that pure aluminum powder with a fraction of 20-60 microns is applied to the steel surface by the method of supersonic "cold" gas-dynamic spraying. Air is used as the working gas. A composite powder consisting of 20% corundum with a fraction of 60-80 μm and 80% of aluminum powder with a fraction of 20-60 μm, reinforced with over 50% nanosized particles of corundum with a fraction of up to 500 nm. Air is used as the working gas. During spraying, accumulations of nanocorundum are formed, which fill the pores of the coating. Further, the formed aluminum hardened second layer, having a porosity of not more than 5% of the volume, is subjected to microarc oxidation in a silicate-alkaline electrolyte of the composition: sodium silicate - 9 g/l, potassium hydroxide - 2 g/l, the rest is water. The duration of microarc oxidation is 1.5-2 hours, an external ceramic oxide MAO layer is formed inside a hardened aluminum second layer with corundum nanoparticles to a certain thickness with an open porosity of not more than 10%.
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 matrix coating has a microhardness of about 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.
Покрытие, приведенное в качестве прототипа, обеспечивает хорошую защиту. К недостаткам прототипа можно отнести следующие:The coating given as a prototype provides good protection. The disadvantages of the prototype include the following:
- невысокая адгезия покрытия к металлической подложке порядка 50 МПа- low adhesion of the coating to the metal substrate of about 50 MPa
- неконтролируемое формирование интерметаллидного подслоя, вызванное внешними условиями конкретного эксперимента (температура жидкого металла может быть непостоянной величиной);- uncontrolled formation of an intermetallic sublayer caused by the external conditions of a particular experiment (the temperature of the liquid metal can be a variable value);
- недостаточная открытая пористость внешнего керамического слоя порядка 7 % об.;- insufficient open porosity of the outer ceramic layer of about 7% vol.;
- жидкое стекло содержит органические вещества, состав которых меняется в зависимости от производителя, в результате меняется состав жидкого стекла и, соответственно, состав электролита.- liquid glass contains organic substances, the composition of which varies depending on the manufacturer, as a result, the composition of liquid glass and, accordingly, the composition of the electrolyte changes.
Техническим результатом изобретения является создание керамического функционально-градиентного покрытия на металлических изделиях в широком диапазоне толщин от 100 мкм до 5 мм, обладающего низкой пористостью, имеющего в своем составе адгезионный никелевый слой, интерметаллидный упрочняющий слой системы Al-Ni и основной прочный корундовый слой. The technical result of the invention is the creation of a ceramic functionally graded coating on metal products in a wide range of thicknesses from 100 μm to 5 mm, having a low porosity, having in its composition an adhesive nickel layer, an intermetallic reinforcing layer of the Al-Ni system and a main strong corundum layer.
Технический результат достигается тем, что способом ХГДН металлических порошков наносят на металл три последовательных слоя, которые в результате МДО и термообработки формирует функционально-градиентное керамическое покрытие. The technical result is achieved by the fact that three successive layers are applied to the metal by the method of CGDN of metal powders, which, as a result of MAO and heat treatment, forms a functionally graded ceramic coating.
Наличие данных слоев обеспечивает плавное изменение коэффициента термического расширения по толщине покрытия, а также износостойкость и коррозионную стойкость при прямом воздействии с агрессивными контактными средами. Формирование керамического функционально-градиентного покрытия осуществляется тремя последовательными технологическими операциями: холодным газодинамическим напылением (ХГДН), микродуговым оксидированием (МДО) и термообработкой.The presence of these layers provides a smooth change in the coefficient of thermal expansion along the thickness of the coating, as well as wear resistance and corrosion resistance under direct exposure to aggressive contact media. The formation of a ceramic functionally graded coating is carried out by three successive technological operations: cold gas-dynamic spraying (CHD), microarc oxidation (MAO) and heat treatment.
Благодаря сверхзвуковому потоку газа в процессе реализации ХГДН, 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.Due to the supersonic gas flow during the implementation of CGDN, the speed of the particles is about 600 m/s. As a result of severe plastic deformation upon impact, the particles are fixed on the substrate in the solid state and at a temperature well below the melting point of the sprayed material.
При нанесении задаваемого первого или адгезионного слоя используется порошок чистого никеля фракцией 20-60 мкм.When applying a given first or adhesive layer, pure nickel powder with a fraction of 20-60 microns is used.
При нанесении задаваемого второго упрочняющего слоя наносят порошковую композицию, состоящую из механической смеси алюминия фракцией 20-60 мкм и никеля фракцией 20-60 мкм в соотношении 1:1. Дополнительно в композиционный порошок вводят 10-30 % масс. крупнозернистого корунда фракцией 60-80 мкм. When applying a specified second hardening layer, a powder composition is applied, consisting of a mechanical mixture of aluminum with a fraction of 20-60 microns and nickel with a fraction of 20-60 microns in a ratio of 1:1. Additionally, 10-30% wt. coarse-grained corundum with a fraction of 60-80 microns.
Механическая смесь из металлических порошков подвергают предварительно перемешиванию в течение 3-5 часов в смесителе барабанного типа для осуществления гомогенизации.The mechanical mixture of metal powders is subjected to pre-mixing for 3-5 hours in a drum-type mixer for homogenization.
Экспериментально установлено, что при напылении ХГДН частицы алюминия размером менее 20 мкм уносятся с поверхности, так как имеют малую массу и не обладают достаточной кинетической энергией для закрепления на стальной подложке. При использовании порошка фракцией более 60 мкм формируемое покрытие не обладает высокой адгезионной и когезионной прочностью. Частицы крупнозернистого корунда в составе порошка алюминия при попадании на напыляемую стальную поверхность отлетают от нее, очищая ее при этом от загрязнений, и далее таким же образом устраняют оксидный слой только что сформированного покрытия, тем самым значительно повышая его когезию и нарастаемую толщину. Часть крупнозернистого корунда «сцепляется» с покрытием, повышая его прочностные характеристики. Введение корунда свыше 30 % масс. не приводит к существенному повышению набора толщины покрытия, вследствие чего коэффициент использования порошка не повышается в процессе напыления. Соотношение металлических порошков 1:1 масс. является необходимым для обеспечения содержания в слое 60 %масс. Ni и 40 %масс. Al, что является оптимальным соотношением при формировании интреметаллидных упрочняющих фаз. Пониженное содержание алюминия можно объяснить некоторым уносом менее плотных алюминиевых частиц в газовом потоке при ХГДН. It has been experimentally established that during the deposition of CGDN, aluminum particles smaller than 20 μm in size are carried away from the surface, since they have a small mass and do not have sufficient kinetic energy to be fixed on a steel substrate. When using a powder with a fraction of more than 60 microns, the formed coating does not have high adhesive and cohesive strength. Coarse-grained corundum particles in the composition of aluminum powder, when they hit the sprayed steel surface, fly off from it, while cleaning it from contamination, and then in the same way eliminate the oxide layer of the newly formed coating, thereby significantly increasing its cohesion and increasing thickness. Part of the coarse-grained corundum "adheres" to the coating, increasing its strength characteristics. The introduction of corundum over 30% wt. does not lead to a significant increase in the thickness of the coating, as a result of which the utilization factor of the powder does not increase during the deposition process. The ratio of metal powders 1:1 mass. is necessary to ensure the content in the layer of 60 wt%. Ni and 40% wt. Al, which is the optimal ratio for the formation of intermetallic hardening phases. The reduced aluminum content can be explained by some entrainment of less dense aluminum particles in the gas stream during CHDP.
При нанесении третьего задаваемого слоя наносят алюминиевый порошок фракцией 20-60 мкм для проведения микродугового оксидирования.When applying the third specified layer, aluminum powder is applied with a fraction of 20-60 μm to carry out microarc oxidation.
В соответствии с предлагаемым изобретением, в качестве рабочего газа в процессе ХГДН используется воздух.In accordance with the invention, air is used as a working gas in the CGDN process.
Для проведения МДО используют электролит на основе борной кислоты, содержащий:To carry out MAO, an electrolyte based on boric acid is used, containing:
- борная кислота, 20-30 г/л;- boric acid, 20-30 g/l;
- гидроксид калия, 3-7 г/л;- potassium hydroxide, 3-7 g/l;
- остальное - вода- the rest is water
Данная концентрация электролита является оптимальной для достижения содержания корунда в покрытии до 80-90 % масс. при открытой пористости не более 3 % об. [6].This electrolyte concentration is optimal to achieve the content of corundum in the coating up to 80-90 wt%. with open porosity not more than 3% vol. [6].
Продолжительность микродугового оксидирования составляет 1,5-2,0 часа. В результате образуется внешний керамический оксидный МДО-слой внутрь упрочненного алюминиевого третьего слоя, который имеет микротвердость в диапазоне 15-20 ГПа, обладает открытой пористостью не более 5 % и плавно переходит во второй слой из смеси металлических компонентов. При этом может наблюдаться некий остаточный алюминиевый слой, не перешедший в оксидную форму.The duration of microarc oxidation is 1.5-2.0 hours. As a result, an external ceramic oxide MAO layer is formed inside the hardened aluminum third layer, which has a microhardness in the range of 15–20 GPa, has an open porosity of no more than 5%, and smoothly passes into the second layer from a mixture of metal components. In this case, some residual aluminum layer can be observed that has not passed into the oxide form.
После реализации МДО-метода покрытие подвергают термообработке при температуре 650-750 °С в течение одного часа в воздушной среде. Данная процедура обеспечивает необходимые и оптимальные условия, благодаря чему по всему объему второго слоя, включая зоны с остаточным алюминием на границе с керамическим слоем, образуются интерметаллидные структуры с пористостью не более 2 % от объема слоя. Фазовый анализ показывает присутствие Al3Ni2 и Al3Ni с включениями крупнозернистого корунда, при этом остаточного алюминия не обнаруживается. Известно, что интерметаллиды Al-Ni обладают повышенной прочностью в условиях контактных нагрузок при высоких температурах.After the implementation of the MAO method, the coating is subjected to heat treatment at a temperature of 650-750 °C for one hour in air. This procedure provides the necessary and optimal conditions, due to which intermetallic structures with a porosity of no more than 2% of the layer volume are formed throughout the entire volume of the second layer, including zones with residual aluminum at the boundary with the ceramic layer. Phase analysis shows the presence of Al 3 Ni 2 and Al 3 Ni with inclusions of coarse-grained corundum, while residual aluminum is not detected. It is known that Al-Ni intermetallic compounds have increased strength under contact loads at high temperatures.
На границе раздела «никель – металлическая подложка» после термообработки не обнаруживается формирование интерметаллидных соединений. Адгезия никелевого первого слоя к металлической подложке составляет не менее 65 МПа.At the interface "nickel - metal substrate" after heat treatment, the formation of intermetallic compounds is not detected. The adhesion of the nickel first layer to the metal substrate is at least 65 MPa.
Пример 1.Example 1
Для получения функционально-градиентного покрытия подготовлены образцы из нержавеющей в виде плоских пластин размером 50х20х0,4 мм.To obtain a functionally graded coating, stainless steel samples were prepared in the form of flat plates 50x20x0.4 mm in size.
На поверхность образцов методом ХГДН с использованием робота равномерно напыляли на толщину 30 мкм порошок чистого никеля фракцией 20-60 мкм. В качестве рабочего газа использовался воздух. На образовавшийся слой методом ХГДН на толщину 80 мкм напыляли композиционный порошок, состоящий на 20% масс. из корунда фракцией 60-80 мкм, на 50% из порошка алюминия фракцией 20-60 мкм и порошка никеля фракцией 20-60 мкм. Pure nickel powder with a fraction of 20–60 µm was evenly sprayed onto the surface of the samples by the CGDN method using a robot over a thickness of 30 µm. Air was used as the working gas. A composite powder consisting of 20 wt. from corundum with a fraction of 60-80 microns, 50% from aluminum powder with a fraction of 20-60 microns and nickel powder with a fraction of 20-60 microns.
Механическая смесь подвергалась предварительно перемешиванию в течение четырех часов в смесителе барабанного типа. The mechanical mixture was subjected to pre-mixing for four hours in a drum mixer.
На образовавшийся слой методом ХГДН на толщину 60 мкм равномерно напыляли порошок чистого алюминия фракцией 20-60 мкм.Pure aluminum powder with a fraction of 20–60 µm was evenly sprayed onto the resulting layer by the CGDN method at a thickness of 60 µm.
Далее образовавшийся внешний слой подвергался процессу МДО в боратном электролите состава: борная кислота – 23 г/л, гидроксид калия – 4 г/л, остальное – вода. Длительность процесса МДО составляла 1,5 часа, при этом формировался оксидный слой внутрь упрочненного алюминиевого слоя на толщину 50 мкм.Further, the resulting outer layer was subjected to the MAO process in a borate electrolyte of the composition: boric acid - 23 g/l, potassium hydroxide - 4 g/l, the rest - 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 50 μm.
После реализации МДО-метода покрытие подвергали термообработке при температуре 700 °С в течение одного часа в воздушной среде.After the implementation of the MAO method, the coating was subjected to heat treatment at a temperature of 700°C for one hour in air.
Полученное функционально-градиентное покрытие имеет микротвердость порядка 18 ГПа. Открытая пористость МДО-слоя составляет не более 3 %, пористость интерметаллидного упрочненного слоя не более 2 % от общего объема, адгезия покрытия к металлической основе не менее 65 МПа.The resulting functionally graded coating has a microhardness of about 18 GPa. The open porosity of the MAO layer is no more than 3%, the porosity of the intermetallic hardened layer is no more than 2% of the total volume, the adhesion of the coating to the metal base is at least 65 MPa.
Испытания покрытий на износостойкость проводили в соответствии с ГОСТ 30480 на машине для испытаний на трение 2168 УМТ по схеме «стальное кольцо с покрытием – стальное кольцо». Давление прижима составляло 110 кПа, движение образца с покрытием относительно контртела - 0,306 м/с, пробег – 1,1 км.Coatings were tested for wear resistance in accordance with GOST 30480 on a friction test machine 2168 UMT according to the “coated steel ring–steel ring” scheme. The pressing pressure was 110 kPa, the movement of the coated sample relative to the counterbody was 0.306 m/s, and the run was 1.1 km.
При трибологических испытаниях данного покрытия происходит износ контртела, что является следствием его высокой износостойкости.During tribological tests of this coating, wear of the counterbody occurs, which is a consequence of its high wear resistance.
Пример 2.Example 2
Для получения функционально-градиентного покрытия подготовлены образцы из нержавеющей в виде плоских пластин размером 50х20х0,4 мм.To obtain a functionally graded coating, stainless steel samples were prepared in the form of flat plates 50x20x0.4 mm in size.
На поверхность образцов методом ХГДН с использованием робота равномерно напыляли на толщину 40 мкм порошок чистого никеля фракцией 20-60 мкм. В качестве рабочего газа использовался воздух. На образовавшийся слой методом ХГДН на толщину 90 мкм напыляли композиционный порошок, состоящий на 30% масс. из корунда фракцией 60-80 мкм, на 50% из порошка алюминия фракцией 20-60 мкм и порошка никеля фракцией 20-60 мкм. Pure nickel powder with a fraction of 20–60 µm was evenly sprayed onto the surface of the samples by the CGDN method using a robot to a thickness of 40 µm. Air was used as the working gas. A composite powder consisting of 30 wt. from corundum with a fraction of 60-80 microns, 50% from aluminum powder with a fraction of 20-60 microns and nickel powder with a fraction of 20-60 microns.
Механическая смесь подвергалась предварительно перемешиванию в течение пяти часов в смесителе барабанного типа. The mechanical mixture was subjected to pre-mixing for five hours in a drum mixer.
На образовавшийся слой методом ХГДН на толщину 70 мкм равномерно напыляли порошок чистого алюминия фракцией 20-60 мкм.Pure aluminum powder with a fraction of 20–60 µm was evenly sprayed onto the formed layer by the CGDN method at a thickness of 70 µm.
Далее образовавшийся внешний слой подвергался процессу МДО в боратном электролите состава: борная кислота – 25 г/л, гидроксид калия 5–г/л, остальное – вода. Длительность процесса МДО составляла 2 часа, при этом формировался оксидный слой внутрь упрочненного алюминиевого слоя на толщину 50 мкм.Next, the resulting outer layer was subjected to the MAO process in a borate electrolyte of the composition: boric acid - 25 g/l, potassium hydroxide 5-g/l, the rest - water. The duration of the MAO process was 2 hours; in this case, an oxide layer was formed inside the hardened aluminum layer to a thickness of 50 μm.
После реализации МДО-метода покрытие подвергали термообработке при температуре 700 °С в течение одного часа в воздушной среде.After the implementation of the MAO method, the coating was subjected to heat treatment at a temperature of 700°C for one hour in air.
Полученное функционально-градиентное покрытие имеет микротвердость порядка 19 ГПа. Открытая пористость МДО-слоя составляет не более 3 %, пористость интерметаллидного упрочненного слоя не более 2 % от общего объема, адгезия покрытия к металлической основе не менее 65 МПа.The resulting functionally graded coating has a microhardness of about 19 GPa. The open porosity of the MAO layer is no more than 3%, the porosity of the intermetallic hardened layer is no more than 2% of the total volume, the adhesion of the coating to the metal base is at least 65 MPa.
Испытания покрытий на износостойкость проводили в соответствии с ГОСТ 30480 на машине для испытаний на трение 2168 УМТ по схеме «стальное кольцо с покрытием – стальное кольцо». Давление прижима составляло 110 кПа, движение образца с покрытием относительно контртела - 0,306 м/с, пробег – 1,1 км.Coatings were tested for wear resistance in accordance with GOST 30480 on a friction test machine 2168 UMT according to the “coated steel ring–steel ring” scheme. The pressing pressure was 110 kPa, the movement of the coated sample relative to the counterbody was 0.306 m/s, and the run was 1.1 km.
При трибологических испытаниях данного покрытия происходит износ контртела, что является следствием его высокой износостойкости.During tribological tests of this coating, wear of the counterbody occurs, which is a consequence of its high wear resistance.
Источники информации:Sources of information:
[1] Material Behavior and Physical Chemistry in Liquid Metal Systems./Ed. by H.U.Borstedt. New York: Plenum Press, 1982, p.253-264.[1] Material Behavior and Physical Chemistry in Liquid Metal Systems./Ed. by H.U. Borstedt. New York: Plenum Press, 1982, p.253-264.
[2] Патент RU 90440 U1, С23С28/00, С25D11/02.[2] Patent RU 90440 U1, С23С28/00, С25D11/02.
[3] Патент RU 2417146 C1, В23Р 6/00.[3] Patent RU 2417146 C1, V23R 6/00.
[4] Патент RU 2486044 C1, В23Р 6/00.[4] Patent RU 2486044 C1, V23R 6/00.
[5] Патент RU 2 678 045 C1.[5] Patent RU 2 678 045 C1.
[6] Марков, М.А. Особенности формирования керамических покрытий методом микродугового оксидирования в электролите на основе борной кислоты/ М. А. Марков, Ю. А. Кузнецов, А. В. Красиков, А. А. Слободов, А. Д. Быкова, С. Н. Перевислов// Новые огнеупоры. – 2020. - № 5. – С.50-55.[6] Markov, M.A. Features of the formation of ceramic coatings by microarc oxidation in an electrolyte based on boric acid / M. A. Markov, Yu. A. Kuznetsov, A. V. Krasikov, A. A. Slobodov, A. D. Bykova, S. N. Perevislov / New refractories. - 2020. - No. 5. - P.50-55.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021128392A RU2763698C1 (en) | 2021-09-28 | 2021-09-28 | Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021128392A RU2763698C1 (en) | 2021-09-28 | 2021-09-28 | Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2763698C1 true RU2763698C1 (en) | 2021-12-30 |
Family
ID=80040043
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021128392A RU2763698C1 (en) | 2021-09-28 | 2021-09-28 | Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2763698C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008519157A (en) * | 2004-10-29 | 2008-06-05 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | Aluminum product with wear-resistant coating and method for applying the coating to the product |
RU2354749C2 (en) * | 2007-04-12 | 2009-05-10 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИКМ "Прометей") | Method for making nanostructured functional-gradient wear-resistant coating |
US20180320270A1 (en) * | 2017-05-08 | 2018-11-08 | United Technologies Corporation | Functionally graded environmental barrier coating |
RU2678045C1 (en) * | 2018-01-10 | 2019-01-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments |
RU2680627C1 (en) * | 2017-12-06 | 2019-02-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method of coating steel substrate with gas-dynamic spraying |
-
2021
- 2021-09-28 RU RU2021128392A patent/RU2763698C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008519157A (en) * | 2004-10-29 | 2008-06-05 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | Aluminum product with wear-resistant coating and method for applying the coating to the product |
RU2354749C2 (en) * | 2007-04-12 | 2009-05-10 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИКМ "Прометей") | Method for making nanostructured functional-gradient wear-resistant coating |
US20180320270A1 (en) * | 2017-05-08 | 2018-11-08 | United Technologies Corporation | Functionally graded environmental barrier coating |
RU2680627C1 (en) * | 2017-12-06 | 2019-02-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method of coating steel substrate with gas-dynamic spraying |
RU2678045C1 (en) * | 2018-01-10 | 2019-01-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101133902B1 (en) | Coating | |
Prasad et al. | Comparative investigation of HVOF and flame sprayed CoMoCrSi coating | |
Parco et al. | Investigation of HVOF spraying on magnesium alloys | |
US7622195B2 (en) | Thermal barrier coating compositions, processes for applying same and articles coated with same | |
KR20010007445A (en) | Ceramic superalloy articles | |
US4535035A (en) | Oxidation resistant slurry coating for carbon-based materials | |
Bik et al. | Studies on the oxidation resistance of SiOC glasses coated TiAl alloy | |
Wang et al. | Effect of process conditions on microstructure and corrosion resistance of cold-sprayed Ti coatings | |
Kim et al. | The effects of sealing on the mechanical properties of the plasma-sprayed alumina-titania coating | |
CN115286390B (en) | ZrC-SiC anti-ablation coating on surface of C/C composite material and composite preparation method combining brushing method and gas phase reaction | |
Subbiah et al. | Experimental study of wear behaviour on Al-2014 alloy coated with thermal spray HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) and plasma spray process–A review | |
Wang et al. | Comparison in characterization of composite and sol-gel coating on AZ31 magnesium alloy | |
RU2763698C1 (en) | Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products | |
GB2130244A (en) | Forming coatings by hot isostatic compaction | |
KR101615613B1 (en) | Cermet thermal spray powder, roller for molten metal plating bath, article in molten metal plating bath | |
RU2678045C1 (en) | Method of obtaining ceramic matrix coating on steel, working in high-temperature aggressive environments | |
JP2002088462A (en) | Method for sealing treatment, sealing-treated sprayed deposit, and fan or blower each having the deposit | |
JP7281747B2 (en) | Method for manufacturing thermal sprayed products | |
KR20160107244A (en) | Component with an abradable coating and a method for coating the abradable coating | |
CN108707897B (en) | Ceramic coating of exhaust pipe and preparation method thereof | |
US4715902A (en) | Process for applying thermal barrier coatings to metals and resulting product | |
RU2785506C1 (en) | METHOD FOR SPRAYING A GRADIENT COATING BASED ON A COMPOSITE POWDER OF THE Al:Si3N4:SiAlON SYSTEM | |
Semmler et al. | Process innovation for the internal coating of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) tubes via thermal spraying | |
Azarmi et al. | Effect of Spray Parameters on Porosity and Lifetime of Suspension Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings | |
RU2251589C1 (en) | Method for applying two-layer wear resistant coating on titanium and its alloys |