RU2782498C1 - Способ получения износостойкого покрытия из высокоэнтропийного сплава с поверхностно науглероженным слоем - Google Patents
Способ получения износостойкого покрытия из высокоэнтропийного сплава с поверхностно науглероженным слоем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782498C1 RU2782498C1 RU2021139401A RU2021139401A RU2782498C1 RU 2782498 C1 RU2782498 C1 RU 2782498C1 RU 2021139401 A RU2021139401 A RU 2021139401A RU 2021139401 A RU2021139401 A RU 2021139401A RU 2782498 C1 RU2782498 C1 RU 2782498C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- argon
- coating
- plasma
- microns
- Prior art date
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 31
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 60
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 22
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052803 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 claims description 7
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 5
- 238000007792 addition Methods 0.000 claims description 4
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000005255 carburizing Methods 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 abstract description 3
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 4
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 3
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001190717 Hea Species 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N Tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 1
- 238000009690 centrifugal atomisation Methods 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009689 gas atomisation Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005552 hardfacing Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 238000002294 plasma sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к способу получения износостойкого покрытия из высокоэнтропийного сплава с поверхностно науглероженным слоем и может быть использовано для создания защитного покрытия и ремонта изношенных деталей. Берут как минимум 5 элементов из Cr, Mo, Nb, W, V, Co, Fe, Mn, Ni с чистотой состава 99,5% в соотношении 5-35% каждого элемента, смешивают в боксе при вакууме с продувкой аргона и помещают в аттритор. Соотношение массы исходной смеси порошков к массе шаров 1:10-1:40. Механическое легирование проводят в течение 5-25 часов при 150-350 об/мин. После чего полученные однородные по химическому составу порошки просеивают, отделяют фракции 20-60 мкм, 60-100 мкм, 100-150 мкм и осуществляют низкотемпературную плазменную сфероидизацию в среде аргон-водородной смеси. Сфероидизированную фракцию 60-120 мкм выделяют из массы порошка и отправляют в воздушный классификатор для удаления самой мелкой фракции. Наплавку порошка осуществляют на подложку прямым лазерным выращиванием в атмосфере защитного аргона. После нанесения материала на подложку деталь помещают в карбюризатор из древесного угля и проводят цементацию. Полученное покрытие с поверхностно науглероженным слоем из высокоэнтропийного сплава обладает пористостью менее 1% с максимальным размером пор 2 мкм, твёрдостью более 800 HV, высокой износостойкостью, что позволяет эксплуатировать детали с наплавкой в условиях повышенного износа. 1 пр.
Description
Изобретение относится к области обработки поверхности и получению покрытий в области износостойких материалов, в частности, к способам получения покрытий для эксплуатации в условиях повышенного износа.
Детали из углеродистых сталей широко используются во всех отраслях промышленности из-за низкой стоимости и легко обрабатываемой поверхности, но самой главной проблемой таких деталей является быстрый износ, связанный с недостаточной твердостью (200-400 HV). Использование износостойких твёрдых сплавов не всегда целесообразно в связи с тем, что высокая твердость может привести к хрупкому разрушению, исходя из этого растёт интерес к защитным покрытиям, обладающим высокой твердостью, но позволяющим сохранить пластические свойства основного металла.
Подбирая материал покрытия, особое внимание обращают на композиционные сплавы, например, материалы с матрицей на основе никеля и алюминия с добавлением молибдена или хрома, карбида вольфрама, нитрида титана, но данные материалы зачастую не могут совмещать в себе лучшие механические свойства и при этом иметь однородный состав. Начиная с 2004 года, активно ведутся исследования и разработки в области высокоэнтропийных сплавов. Высокоэнтропийные сплавы получают путем смешения пяти и более элементов в эквимолярном или близком к эквимолярному соотношении. При этом имеющиеся на данный момент экспериментальные данные позволили выделить композиции высокоэнтропийных сплавов, обладающие однофазной структурой и демонстрирующие уникальные свойства по сравнению с традиционными сплавами с одним-двумя основными компонентами [Cantor B. et al. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 375–377, № 1-2 SPEC. ISS. P. 213–218]. Высокоэнтропийные сплавы обладают более высокими износостойкими, коррозионностойкими, прочностными свойствами. Твердые растворы на основе пяти и более компонентов будут стремиться к более устойчивому фазовому и микроструктурному состоянию из-за больших энтропий смешения.
Способ нанесения покрытия должен быть технологичным и производительным, обеспечивать сплошной, практически беспористый слой с хорошей адгезией к основному металлу. В качестве примера нанесения покрытия из высокоэнтропийного сплава можно привести патент CN103911578A, где покрытие получено методом плазменной наплавки, твердость полученного авторами высокоэнтропийного сплава Al1.5CoCrFeNiTix достигает 700 Hv при комнатной температуре, она получена в результате сплавления исходных элементных порошков непосредственно при наплавлении на поверхность подложки.
Использование метода прямой лазерной наплавки (DLD) позволяет нанести покрытие любой геометрии и в сложно доступных местах, характеризуется высокой скоростью печати и возможностью использовать различные материалы. К достоинствам прямого лазерного выращивания относят возможность оперативного восстановления деталей и покрытий. Такой способ наплавки позволяет получить покрытия с низкой пористостью, хорошей адгезией к подложке и с высокими механическими свойствами.
Основными требованиями к порошку для наплавки является сферическая форма и размер частиц. Сферическая форма позволяет минимизировать пористость, а также, позволяет обеспечить лучшую текучесть, которая важна в машинах прямого лазерного выращивания. Добиться данной формы частиц можно путем плазменной сфероидизации или получения порошка газовой или центробежной атомизацией. Атомизация имеет свои недостатки, при таком способе получения сферических частиц внутри частиц могут образовываться скрытые газовые поры, которые в дальнейшем отрицательно повлияют на характеристики покрытия, могут нести в себе загрязнение газами и приводить к нарушению технологического процесса. Плазменная сфероидизация позволяет не только получить сферическую форму частиц без внутренних пор, но и обладает высокой эффективностью и большим выходом продукта. Размер частиц должен быть сопоставим с диаметром лазерного луча, не должен иметь пылевую фракцию во избежание загрязнения сопел, а также выноса материала. Само покрытие должно отвечать требованиям износостойкости за счет высокой твердости, иметь сплошной слой и хорошую адгезию к подложке.
Не смотря на повышенную твердость высокоэнтропийных сплавов в некоторых случаях требуется особо высокое значение твердости, которого можно добиться дополнительной химико-термической обработкой. Одним из перспективных способов является цементация. Дополнительная цементация позволяет повысить твердость и износостойкость без ухудшения пластических свойств основного металла; простая технология и возможность контролировать глубину науглероженного слоя являются основными преимуществами цементации, в отличие от азотирования, цианирования и борирования, в которых практически невозможно контролировать глубину проникновения элементов и которые характеризуются сложно реализуемой технологией. В случае цементации ВЭСов можно исключить стадию последующей термической обработки, то есть закалку и отпуск, так как ВЭСы представляют собой однофазные системы и не претерпевают фазовых превращений, происходящих при термообработке, также в высокоэнтропийных сплавах не возникают внутренние напряжения, вызванные фазовыми превращениями, в результате чего не требуется дополнительная термообработка для снятия напряжений.
Известен способ получения покрытия из высокоэнтропийного сплава на поверхности конструкционного материала для ядерной энергетики [Патент CN113061830A от 07.02.2021], заключающийся в получении покрытия в котором содержатся элементы Zr, W, Ta, Hf, V, Ti, Cr и Ce, соотношение каждого элемента соответственно 0-25:0-25:0-25:0-25:0-25:0-25:0-25:0-5. Получение покрытия включает в себя стадии: 1) электродуговая плавка сырья высокоэнтропийного сплава в электро-дуговой печи в атмосфере аргона и получение заготовки; 2) дробление заготовки до 2 мм и измельчение в шаровой мельнице 20-36 часов со скоростью 250-350 об/мин; 3)плазменная сфероидизация с входной мощностью плазмотрона 40 кВт, скоростью подачи порошка 50-180 г/мин, плазмообразующий газ - водород с расходом 50-70 л/мин, газ носитель - аргон с расходом 2-4 л/мин. На выходе получают фракции порошка размерами от 15 до 70 мкм; 4) распыление сферического порошка на поверхность подложки посредством плазменного распыления. Параметры плазменного напыления: сила тока 55-650 А, расход аргона 30-40 л/мин, расход водорода 8-13 л/мин, скорость подачи порошка 50-60 г/мин. Средняя толщина покрытия составляет 100-1000 мкм.
Недостатком данного способа является наличие стадии электродуговой плавки, что делает способ более дорогостоящим и трудоемким. Недостаточно высокая твердость поверхности порядка 4 ГПа при комнатной температуре.
Известен способ получения высокоэнтропийного сплава с высокой температурой плавления и его покрытия [Патент CN106319260A от 11.01.2017], заключающийся в смешении компонентов Co, Cr, Mo, Nb, Ti чистотой 99-99,9% в соотношении 0,8 ~ 1,1:(от 0,8 до 1,1):(от 0,8 до 1,1):(от 0,8 до 1,1):(от 0,8 до 1,1):(от 0 до 1,1) соответственно, плавлении в вакуумно-дуговой печи, измельчении в планетарной мельнице и последующей лазерной наплавкой. Причем Плавление происходит в медной форме с водяным охлаждением при давлении 0-6⋅10-3 Па, затем в печь подают аргон и давление достигает 0,4-0,6 Ратм, время выдержки дуги 30-60 с. Измельчение сплава производят в планетарной мельнице со скоростью 140-160 об/мин 14-16 часов. Измельченный порошок помещается на подложку из углеродистой стали, размер порошка составляет порядка 600-800 мкм. Лазерная наплавка характеризуется мощностью лазера 2,3-2,7 кВт, скоростью сканирования 300-600 мм/мин, диаметром пятна 3-4 мм, в качестве защитного газа используется аргон.
Недостаток данного способа заключается в неправильной форме частиц, получаемых при измельчении, что дает более высокую пористость, соответственно, есть возможность снижения адгезии и износостойкости. Стадия плавления делает способ более энергозатратным и трудоемким.
Известен способ получения сверхтвердого покрытия из высокоэнтропийного сплава для зубчатых колес [Патент CN111020339A от 17.04.2020], заключающийся в получении покрытия путем лазерной наплавки. Материал покрытия включает в себя Fe, Mo, Cr, V, Ti с чистотой более 99% и размером частиц в диапазоне 75-120 мкм в равном атомном соотношении, доля каждого элемента не превышает 20%, также добавляют Si в соответствии с формулой FeMoCrVTiSiх, 0≤х≤0.5. Смесь исходных порошков подвергают шаровому измельчению. Поверхность подложки подвергается ультразвуковой очистке для удаления окалины. Процесс лазерной наплавки характеризуется мощностью лазера 2-3 кВт, скоростью подачи порошка 10-20 г/мин, скоростью наплавки 200-500 мм/мин и использованием аргона в качестве защитного газа. Детали с нанесенным покрытием подвергаются термической обработке в нагревательной печи при температуре 700-800 °C, время выдержки 5-10 часов, охлаждение на воздухе.
Недостатком данного способа является неправильная форма частиц порошка для наплавки, из-за неправильной формы частиц повышается пористость поверхности и уменьшается его прочность и износостойкость.
Наиболее близким к предполагаемому техническому решению получения покрытий высокоэнтропийных сплавов является способ получения сфероидизированного металло-матричного композита и его лазерной наплавки [Патент CN109943845A от 28.06.2019], включающий в себя следующие этапы:
Исходные порошки Fe, Mn, Si, Cr, Ni, WC чистотой 99,7% и размером частиц 54-107 мкм, кроме WC (40-100 нм), смешивают и помещают в планетарную мельницу. Скорость измельчения 180-240 об/мин, время измельчения 2-5 часов.
Измельченный порошок сушат при 110-130 °C 1-3 часа.
Порошок подвергают лазерной сфероидизации после которой материал содержит элементы в соотношении Fe 44-56, Mn 27-31, Si 7-9, Cr 3-4, Ni 2-3, WC 8-12 частей по массе.
Сферический порошок путем лазерной наплавки с синхронным способом транспортировки порошка наносят на поверхность подложки. Процесс наплавки характеризуется мощностью лазера 2-2,7 кВт, скоростью сканирования 4-7 мм/с, размером пятна 1 мм×10 мм, количеством подачи порошка 0,4-0,8 г/с.
Причем лазерная сфероидизация производится путем нанесения сухого порошка на поверхность подложки из нержавеющей стали слоем 0,4-1 мм, затем может быть выполнено лазерное сканирование, при котором мощность лазера составляет 300-800 Вт, диаметр пятна 3-6 мм, скорость сканирования 15-25 мм/с. После сканирования слой порошкового материала собирается.
Недостатком данного способа является неравномерный фазовый состав, который дает неоднородность свойств покрытия, а также способ сфероидизации позволяет получить ограниченное количество порошка за один проход, что снижает производительность и стабильность технологии. Также сложно получить сферическую форму частиц на поверхности подложки.
Технической проблемой, на решение которой направленно данное изобретение, является создание технологичного и производительного способа получения покрытия высокоэнтропийного сплава с науглероженным поверхностным слоем с твердостью не менее 800HV и пористостью не более 1% с размером пор не более 2 мкм.
Для решения технической проблемы получения твердого износостойкого покрытия предлагается следующий способ получения покрытия из высокоэнтропийного сплава, характеризующийся тем, что как минимум 5 элементных порошков из ряда Cr, Mo, Nb, W, V, Co, Fe, Mn, Ni берут в соотношении 5-35% каждого, после чего порошки легируют в аттриторе, затем проводят плавление в потоке низкотемпературной плазмы и последующее охлаждение в струе аргона, выступающего в качестве несущего газа, далее порошок очищают от субмикронных частиц и мелких фракций в воздушном классификаторе, порошки подают в машину прямого лазерного выращивания и наплавляют на подложку из углеродистой стали, после чего деталь с покрытием подвергают цементации.
Техническим результатом предлагаемого способа является получение покрытия из порошка высокоэнтропийного сплава с поверхностно науглероженным слоем, с заданной твердостью (не менее 800 HV) и минимальной пористостью (не более 1% с размером пор не более 2 мкм.), однородностью заданного химического состава, способного работать в условиях высокого износа.
Способ включает следующие этапы:
1) Как минимум 5 элементных порошков из ряда Cr, Mo, Nb, W, V, Co, Fe, Mn, Ni с чистотой не менее 99,5% в соотношении 5-35% каждого смешивают в герметичном боксе с атмосферой инертного газа, в частности, с продувкой аргоном. Использование защитных газов необходимо для исключения окисления порошков и попадания в смесь посторонних частиц. Выбор элементов обусловлен полученными ранее свойствами подобных сплавов. У одного из самых изученных сплавов CoCrFeNiMo покрытие, полученное лазерной наплавкой, обладает твердостью 741HV, характеризуется потерей веса на единицу площади 0,47 г/см2 при испытании на трение, что считается низким износом. [Microstructure and mechanical properties of CoCrFeNiMo high-entropy alloy coatings Xingwu Qiu]
2) Готовую смесь обрабатывают в аттриторе с добавлением размольных тел размером 5-15 мм, при отношении массы материала к размольным телам в диапазоне 1:10-1:40 в течение 5-25 часов в атмосфере аргона со скоростью вращения ворошителя от 150 до 350 об/мин. На данной стадии происходит механическое легирование в аттриторе, с образованием твердого раствора.
3) Полученный порошок отсеивают от размольных тел на сите с диаметром ячейки 3 мм и проводят рассев полученного порошка на фракции с выделением фракций 20-60 мкм, 60-100 мкм, 100-150 мкм, наиболее подходящих для проведения эффективной плазменной сфероидизации.
4) Разделенный по фракциям порошок поочередно подвергают низкотемпературной плазменной сфероидизации, данная процедура позволяет более эффективно сфероидизировать частицы с минимальным количеством пыли, оседающей на крупных частицах, для проведения процесса, установку плазменной сфероидизации продувают инертным газом (аргон-водородной смесью) и задают значения технологических параметров, а именно: мощность высокочастотного индукционного плазмотрона от 10 до 15 кВт, расход защитного газа от 35 до 40 стандартных литров в минуту, расход плазмообразующего газа от 10 до 15 стандартных литров в минуту, расход водорода от 3 до 4 стандартных литров в минуту, давление в камере от 0,68 до 1,1 атмосферы, расход несущего газа от 2 до 4 стандартных литров в минуту, расход порошка от 0,5 до 3 кг/ч, точка ввода порошка в плазму (нулевая точка) ±10 мм и проводят запуск процесса низкотемпературной плазменной сфероидизации. Плазменная сфероидизация позволяет придать частицам неправильной формы, полученным в результате механического легирования в аттриторе, сферическую форму и избежать газовой пористости в сферических частицах.
5) После плазменной сфероидизации отделяют через сита фракцию порошка 60-120 мкм, она является наиболее оптимальной для наплавки. Однако налипшие субмикронные частицы остаются на поверхности более крупных сферических частиц, также некоторое количество мелких микронных частиц может оставаться в общей массе порошка. Субмикронные и мелкие микронные частицы могут забивать сопла при наплавке, а также образовывать облако пыли, что способствует выносу материала, поэтому их необходимо отделить. Для этого выделенную фракцию помещают в воздушный классификатор, задают скорость вращения диска 3000 об/мин, скорость подачи порошка в классификатор 1 кг/ч.и классифицируют, что позволяет убрать частицы размером менее 10 мкм и часть субмикронных частиц.
6) Нанесение покрытия лазерной наплавкой порошка на подложку из углеродистой стали производят методом прямого лазерного выращивания. Лазер должен обладать мощностью 800-1200 Вт, скоростью перемещения сопла 600-1200 мм/мин, размером лазерного пятна 1,5-3 мм, шириной трека 2-4 мм, расстоянием между проходами 1,2-2,4 мм. Слой наносимого порошка отличается средней толщиной 0,5-0,8 мм и подачей в зону обработки струи защитного аргона 15-20 л/мин и транспортировочного аргона 8-12 л/мин, скорость подачи порошка 10-15 г/мин. Полученное покрытие характеризуется уровнем пористости не более 1% с размером пор не более 2 мкм и твердостью 680-780 HV.
7) Цементацию детали производят в твердом карбюризаторе - древесном угле. Помещенные в уголь детали нагревают до температуры 900-1100 °C и выдерживают 1-5 часов. Толщина науглероженного слоя зависит от времени выдержки детали в карбюризаторе, таким образом, ее легко регулировать. Данная процедура необходима для придания высокой твердости и износостойкости покрытию, она позволяет повысить значение твердости покрытия ВЭС до 800-1200 HV.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает получение практически беспористого твердого износостойкого науглероженного покрытия из высокоэнтропийного сплава. Покрытие обладает твердостью не менее 800 HV, пористостью не более 1% с размером пор не более 2 мкм, высокой адгезией, однородным химическим и фазовым составом, отвечает требованиям к изделиям, эксплуатируемым в условиях повышенного износа. Предлагаемый способ позволяет исключить стадию изготовления слитка и проводить синтез сплава для покрытия с заданным химическим составом на этапе механолегирования без процесса переплава исходных компонентов и проведения сложной термической постобработки.
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа заключается в том, что исходные элементные порошки берут в соотношении Cr - 20 ат%, Mo - 20 ат%, Nb - 20 ат%, W - 20 ат%, V - 20 ат%, смешивают в атмосфере аргона в герметичном боксе. Затем смесь обрабатывают в аттриторе 15 ч с добавлением размольных тел со средневзвешенным диаметром 12 мм в соотношении массы шаров к обрабатываемой массе порошка 1:20 со скоростью вращения ворошителя 273 об/мин. Полученный порошок охлаждают до температуры окружающей среды, отсеивают от размольных тел на сите с диаметром ячейки 3 мм и проводят рассев полученного порошка на фракции с выделением фракций 20-60 мкм, 60-100 мкм, 100-150 мкм. Выделенные фракции поочередно подвергают плазменной сфероидизации с использованием в качестве плазмообразующего газа аргон-водородной смеси с расходом аргона 15 стандартных литров в минуту и расходом водорода 4 стандартных литров в минуту, в камере поддерживают давление 1 атмосфера, задают расход несущего газа 4 стандартных литра в минуту и расход порошка 1 кг/ч, запускают процесс низкотемпературной плазменной сфероидизации. Затем отсеивают фракцию 60-120 мкм и отправляют в воздушный классификатор. После чего порошок подается в машину прямого лазерного выращивания. Мощность лазера составляет 800 Вт, скорость перемещения сопла 960 мм/мин, размер лазерного пятна 2 мм, ширина трека 2,5 мм, расстояние между проходами 1,5 мм. Слой отличается средней толщиной 0,6 мм и подачей в зону обработки струи защитного аргона 15 л/мин и транспортировочного аргона 12 л/мин, скорость подачи порошка 12 г/мин. После стадии наплавки деталь помещается в печь с карбюризатором в виде древесного угля, печь нагревается до 1050 °С, детали выдерживаются 3 ч, затем вынимаются и охлаждаются до температуры окружающей среды. Технический эффект заключается в получении науглероженного покрытия из высокоэнтропийного сплава с твердостью 800-1200 HV, пористостью 0,98 % с максимальным размером пор 1,9 мкм.
Claims (1)
- Способ получения износостойкого покрытия из высокоэнтропийного сплава с поверхностно науглероженным слоем, включающий смешивание исходных порошков Fe, Mn, Cr, Ni в соответствии с заданным соотношением, их механическое легирование с последующей сфероидизацией и лазерную наплавку на поверхность подложки, отличающийся тем, что в качестве исходных порошков дополнительно используют Mo, Nb, W, V, Co с чистотой не менее 99,5%, причем порошки смешивают в соотношении 5-35% каждого элементного порошка в боксе при вакууме с продувкой аргоном, а механическое легирование выполняют в аттриторе с добавлением размольных тел размером 5-15 мм при отношении массы материала к размольным телам 1:10-1:40 в течение 5-25 ч в атмосфере аргона со скоростью вращения ворошителя 150-350 об/мин, причем рассев на фракции осуществляют через сита, выделяя фракции 20-60 мкм, 60-100 мкм и 100-150 мкм, сфероидизацию выполняют путем обработки в струе низкотемпературной плазмы поочередно по фракциям, причем упомянутую низкотемпературную плазменную сфероидизацию осуществляют в среде плазмообразующего газа, в качестве которого используют аргон-водородную смесь, со следующими технологическими параметрами: мощность высокочастотного индукционного плазмотрона 10-15 кВт, расход защитного газа 35-40 л/мин, расход плазмообразующего аргона 10-15 л/мин, расход плазмообразующего водорода 3-4 л/мин, давление в камере 0,68-1,1 атм, расход несущего газа, в качестве которого используют аргон, 2-4 л/мин, расход порошка 0,5-3 кг/ч, при этом после плазменной сфероидизации из массы порошка выполняют отсев фракции 60-120 мкм, которую направляют в воздушный классификатор на отделение из нее пылеватой фракции до 10 мкм, и нанесение покрытия осуществляют лазерной наплавкой полученного порошка отсеянной фракции на стальную подложку путем прямого лазерного выращивания (DLD) при мощности лазера 800-1200 Вт, скорости перемещения сопла 600-1200 мм/мин, размере лазерного пятна 1,5-3 мм, ширине трека 2-4 мм, расстоянии между проходами 1,2-2,4 мм, слоем наносимого порошка толщиной 0,5-0,8 мм и подачей в зону обработки струи защитного аргона 15-20 л/мин и транспортировочного аргона 8-12 л/мин и скорости подачи порошка 10-15 г/мин, при этом насыщение покрытия углеродом осуществляют путем цементации в древесном угле, для чего детали помещают на поддон в слой порошка древесного угля так, чтобы он полностью покрывал детали, затем поддон с деталями и древесным углем помещают в печь, нагревают до температуры 900-1100°С и выдерживают в течение 1-5 ч.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2782498C1 true RU2782498C1 (ru) | 2022-11-01 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116145003A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-05-23 | 中核燕龙科技有限公司 | 一种FeCrNiMn高熵合金材料及其制备方法 |
| CN117210858A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-12 | 西北工业大学太仓长三角研究院 | 微米激光熔融高熵合金催化极板、制备方法及电解水应用 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2469817C1 (ru) * | 2011-06-27 | 2012-12-20 | Александр Юрьевич Вахрушин | Способ сфероидизации порошка тугоплавкого материала |
| US20130004786A1 (en) * | 2010-02-01 | 2013-01-03 | Croopnick Gerald A | Nickel based thermal spray powder and coating, and method for making the same |
| CN103911578B (zh) * | 2014-04-03 | 2016-04-06 | 北京工业大学 | 一种高硬度bcc高熵合金涂层的制备方法 |
| CN107486560A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-12-19 | 北京金航智造科技有限公司 | 一种在正压冷却气氛环境下制备球形金属粉末的方法 |
| RU2644483C2 (ru) * | 2016-07-21 | 2018-02-12 | Руслан Алексеевич Шевченко | Способ получения сферического порошка монокарбида вольфрама wc |
| US20190001416A1 (en) * | 2015-10-29 | 2019-01-03 | Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. | Metal powder atomization manufacturing processes |
| CN109943845A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-06-28 | 贵州大学 | 一种球化mmc复合涂层材料及其激光熔覆方法 |
| US20200391295A1 (en) * | 2017-11-14 | 2020-12-17 | Pyrogenesis Canada Inc. | Method and apparatus for producing fine spherical powders from coarse and angular powder feed material |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130004786A1 (en) * | 2010-02-01 | 2013-01-03 | Croopnick Gerald A | Nickel based thermal spray powder and coating, and method for making the same |
| RU2469817C1 (ru) * | 2011-06-27 | 2012-12-20 | Александр Юрьевич Вахрушин | Способ сфероидизации порошка тугоплавкого материала |
| CN103911578B (zh) * | 2014-04-03 | 2016-04-06 | 北京工业大学 | 一种高硬度bcc高熵合金涂层的制备方法 |
| US20190001416A1 (en) * | 2015-10-29 | 2019-01-03 | Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. | Metal powder atomization manufacturing processes |
| RU2644483C2 (ru) * | 2016-07-21 | 2018-02-12 | Руслан Алексеевич Шевченко | Способ получения сферического порошка монокарбида вольфрама wc |
| CN107486560A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-12-19 | 北京金航智造科技有限公司 | 一种在正压冷却气氛环境下制备球形金属粉末的方法 |
| US20200391295A1 (en) * | 2017-11-14 | 2020-12-17 | Pyrogenesis Canada Inc. | Method and apparatus for producing fine spherical powders from coarse and angular powder feed material |
| CN109943845A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-06-28 | 贵州大学 | 一种球化mmc复合涂层材料及其激光熔覆方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116145003A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-05-23 | 中核燕龙科技有限公司 | 一种FeCrNiMn高熵合金材料及其制备方法 |
| CN117210858A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-12 | 西北工业大学太仓长三角研究院 | 微米激光熔融高熵合金催化极板、制备方法及电解水应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yao et al. | Beneficial effects of laser irradiation on the deposition process of diamond/Ni60 composite coating with cold spray | |
| US5939146A (en) | Method for thermal spraying of nanocrystalline coatings and materials for the same | |
| CN101519778B (zh) | 一种穿孔顶头表面强化的激光熔覆方法 | |
| Yang et al. | Effects of diamond size on the deposition characteristic and tribological behavior of diamond/Ni60 composite coating prepared by supersonic laser deposition | |
| CN1498984A (zh) | 多元合金涂层 | |
| CN100547114C (zh) | 一种在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法 | |
| CA2267960C (en) | Coating powder and method for its production | |
| EP2816138B1 (en) | Cermet film, coated metal body having cermet film, method for producing cermet film, and method for producing coated metal body | |
| Tian et al. | Laser surface modification of titanium alloys—a review | |
| CN113564576A (zh) | 一种陶瓷相梯度的单相高熵合金涂层材料及其制备方法 | |
| Yang et al. | Microstructure evolution of thermal spray WC–Co interlayer during hot filament chemical vapor deposition of diamond thin films | |
| RU2782498C1 (ru) | Способ получения износостойкого покрытия из высокоэнтропийного сплава с поверхностно науглероженным слоем | |
| Yang et al. | Advanced nanomaterials and coatings by thermal spray: multi-dimensional design of micro-nano thermal spray coatings | |
| EP1892312A1 (en) | Carburized metal material and method for producing same | |
| CN111719152B (zh) | 一种NbC/Fe2B复合梯度耐磨涂层及其制备方法 | |
| CN114990541B (zh) | 高硬度材料涂层结构及其制备方法 | |
| WO2018141963A1 (en) | Method for coating superhard particles and using the particles for fabricating a composite material | |
| Eryomina et al. | Wear-resistant coatings produced by high-speed selective laser sintering of wet-milled WFe powders: Phase composition, microstructure, and properties | |
| JP4963362B2 (ja) | カーボン膜およびその製造方法 | |
| Kumar et al. | Characterization and comparison between APS coatings prepared from ball milled and plasma processed nickel–aluminium powders | |
| Yin et al. | HVAF deposition mechanism of γ-TiAl-based coating containing β phase | |
| CN114653958B (zh) | 超细碳化物增强的高速工具钢粉末原料及烧结方法 | |
| RU2812935C1 (ru) | Способ микроплазменного напыления износостойких покрытий на основе плакированных порошков системы Ti/TiB2 | |
| CN111719151B (zh) | 一种NbC强化的纳米晶耐磨涂层及其制备方法 | |
| Alam et al. | Recent trends in surface cladding on AISI 1045 steel substrate: a review |