RU2785506C1 - METHOD FOR SPRAYING A GRADIENT COATING BASED ON A COMPOSITE POWDER OF THE Al:Si3N4:SiAlON SYSTEM - Google Patents
METHOD FOR SPRAYING A GRADIENT COATING BASED ON A COMPOSITE POWDER OF THE Al:Si3N4:SiAlON SYSTEM Download PDFInfo
- Publication number
- RU2785506C1 RU2785506C1 RU2021137760A RU2021137760A RU2785506C1 RU 2785506 C1 RU2785506 C1 RU 2785506C1 RU 2021137760 A RU2021137760 A RU 2021137760A RU 2021137760 A RU2021137760 A RU 2021137760A RU 2785506 C1 RU2785506 C1 RU 2785506C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- composite
- diameter
- plasma
- sialon
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 78
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005507 spraying Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 229910003564 SiAlON Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 10
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 title abstract description 13
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N Silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 28
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 238000000133 mechanosynthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 14
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 26
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- TXKRDMUDKYVBLB-UHFFFAOYSA-N methane;titanium Chemical compound C.[Ti] TXKRDMUDKYVBLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011246 composite particle Substances 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910010055 TiB Inorganic materials 0.000 description 3
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 2
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001730 Moisture cure polyurethane Polymers 0.000 description 1
- IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N Phthalocyanine Chemical compound N1C(N=C2C3=CC=CC=C3C(N=C3C4=CC=CC=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=CC=C2)C2=C1N=C1C2=CC=CC=C2C4=N1 IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- 238000005296 abrasive Methods 0.000 description 1
- 230000003213 activating Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- -1 iron-aluminum Chemical compound 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052627 muscovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 1
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 1
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, в том числе к области наноструктурных материалов, для нанесения высококачественных покрытий на металлические детали и подложки, работающие в экстремальных условиях. Изобретение может быть использовано при получении композиционных металлокерамических порошковых материалов на основе пластичной матрицы и твердых армирующих компонентов для напыления износостойких покрытий методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления. Изобретение может быть также использовано в машиностроительном производстве при изготовлении и ремонте деталей, технологической оснастки и инструмента.The invention relates to the field of applying thermal coatings, including the field of nanostructured materials, for applying high-quality coatings to metal parts and substrates operating under extreme conditions. The invention can be used in the production of composite ceramic-metal powder materials based on a plastic matrix and solid reinforcing components for deposition of wear-resistant coatings by supersonic "cold" gas-dynamic spraying. The invention can also be used in engineering production in the manufacture and repair of parts, tooling and tools.
Известны способы получения композиционных армированных порошковых материалов и способы формирования защитных покрытий на их основе.Known methods for producing composite reinforced powder materials and methods for forming protective coatings based on them.
В частности, известен способ получения порошковых материалов и композиционных покрытий из них с помощью лазерной наплавки (патент RU 2542199, от 16.07.2013), в котором в качестве исходного материала используют частицы титана (Ti) и карбида кремния (SiC) с размером 20-100 мкм в массовом соотношении 6:4 или 6:5. В процессе лазерной наплавки в наплавленных слоях протекают реакции и образуются частицы карбида титана (TiC) с высоким значением твердости. Синтез карбида титана происходит по схеме Ti+SiC→TiC+Si. Процесс наплавки осуществляют при мощности лазера 4÷5 кВт, скорости сканирования лазерного луча 500÷700 мм/мин и расходе порошка 9,6÷11,9 г/мин. Способ включает подготовку обрабатываемой поверхности посредством очистки, промывку и струйно-абразивную обработку, последующую лазерную наплавку порошкового материала в среде инертного газа. Недостатком этого способа является низкая степень превращения титана в карбид титана и невозможность контролируемого равномерного распределения, за счет чего интегральная твердость в покрытии неоднородная и не превышает 4-5 ГПа.In particular, a method is known for producing powder materials and composite coatings from them using laser cladding (patent RU 2542199, dated July 16, 2013), in which particles of titanium (Ti) and silicon carbide (SiC) with a size of 20- 100 microns in a mass ratio of 6:4 or 6:5. During laser cladding, reactions occur in the deposited layers and titanium carbide (TiC) particles with a high hardness value are formed. Synthesis of titanium carbide occurs according to the scheme Ti+SiC→TiC+Si. The surfacing process is carried out at a laser power of 4÷5 kW, a laser beam scanning speed of 500÷700 mm/min and a powder consumption of 9.6÷11.9 g/min. The method includes preparing the surface to be treated by cleaning, washing and jet-abrasive treatment, followed by laser cladding of powder material in an inert gas environment. The disadvantage of this method is the low degree of conversion of titanium into titanium carbide and the impossibility of controlled uniform distribution, due to which the integral hardness in the coating is non-uniform and does not exceed 4-5 GPa.
Известен способ получения композита на основе железоалюминиевого матричного порошка (10 мкм- 50 мкм), упрочненного TiB2 с использованием искрового плазменного спекания (SPS) (патент CN 105734347 (А) от 23.02.2016). Способ включает в себя смешение частиц TiB2 (до 40% масс) и порошка матрицы, активацию смеси в шаровом измельчителе. Скорость обработки в шаровом измельчителе 200-800 об/мин, время измельчения 3-12 часов. Активированную порошковую смесь подвергают искровому спеканию при давлении 30-50 МПа и температуре 520-650°С в течение 5- 20 мин и охлаждают в печи. Размер частиц TiB2 составляет 10-200 нм. Формируемые композиты имеют пористость более 3% и твердость 60,5-104,6 HV (менее 1 ГПа). Недостаток этого способа заключается в многоступенчатости, трудоемкости и энергоемкости формирования покрытия на основе этого композита, а получаемое покрытие имеет низкую адгезию (не выше 20 МПа).A known method for producing a composite based on iron-aluminum matrix powder (10 μm - 50 μm) reinforced with TiB 2 using spark plasma sintering (SPS) (patent CN 105734347 (A) dated 23.02.2016). The method includes mixing TiB 2 particles (up to 40 wt %) and matrix powder, activating the mixture in a ball grinder. The processing speed in the ball grinder is 200-800 rpm, the grinding time is 3-12 hours. The activated powder mixture is subjected to spark sintering at a pressure of 30-50 MPa and a temperature of 520-650°C for 5-20 minutes and cooled in a furnace. TiB 2 particle size is 10-200 nm. The formed composites have a porosity of more than 3% and a hardness of 60.5-104.6 HV (less than 1 GPa). The disadvantage of this method lies in the multi-stage, laboriousness and energy consumption of the formation of a coating based on this composite, and the resulting coating has low adhesion (not higher than 20 MPa).
Известен также способ плазменного напыления градиентного композитного износостойкого покрытия (патент CN106555150 (А) от 05.04.2017) из композиционного порошка WC-Si3N4-NiCrAl. Способ получения градиентного композитного износостойкого покрытия, включает пескоструйную обработку поверхности подложки, промывку поверхности подложек ацетоном и этанолом и сушку при 100-160°С. Плазменным напылением формируют промежуточный слой NiCrAl толщиной 0,1-0,3 мм, затем изменяют состав напыляемого материала за счет введения смеси WC-Si3N4 и получают износостойкое покрытие с градиентом WC-Si3N4-NiCrAl в массовом соотношении компонентов 1:0,5-2:2-6. Недостатком указанного способа является формирование покрытия, в котором присутствуют зоны с низкими когезионными свойствами (ниже 20 МПа), что обусловлено изменением состава послойно напыляемых порошков с разными коэффициентами термических расширений. Также существенным недостатком является сложность аппаратного исполнения и большое количество технологических операций, обусловленное необходимостью дозирования порошковых компонентов послойно, что не позволяет получать воспроизводимые свойства покрытий.There is also known a method of plasma spraying of a gradient composite wear-resistant coating (patent CN106555150 (A) dated 04/05/2017) from a composite powder WC-Si 3 N 4 -NiCrAl. The method for producing a gradient composite wear-resistant coating includes sandblasting the substrate surface, washing the substrate surface with acetone and ethanol, and drying at 100-160°C. Plasma spraying forms an intermediate layer of NiCrAl with a thickness of 0.1-0.3 mm, then the composition of the sprayed material is changed by introducing a mixture of WC-Si 3 N 4 and a wear-resistant coating is obtained with a gradient of WC-Si 3 N 4 -NiCrAl in a mass ratio of components 1 :0.5-2:2-6. The disadvantage of this method is the formation of a coating in which there are zones with low cohesive properties (below 20 MPa), which is due to a change in the composition of layer-by-layer sprayed powders with different coefficients of thermal expansion. Also, a significant disadvantage is the complexity of the hardware design and a large number of technological operations, due to the need to dose powder components in layers, which does not allow obtaining reproducible coating properties.
Известен способ получения стойкого к окислению покрытия на основе SiAlON-Al2O3 для нержавеющей стали (патент CN106700899 (А) от 24.05.2017). В указанном способе смешивают порошки микрокристаллического мусковита и алюминия с этанолом и обрабатывают в шаровой мельнице 8-10 часов, а затем вводят композитное связующее и высушивают при температуре 50-80°С порядка 30-40 минут, затем помещают в микроволновую печь с высокотемпературной атмосферой азота и выдерживают при 1300-1500°С в течение 4-6 часов и охлаждают до комнатной температуры. Для получения покрытия изготавливают суспензию из композиционного порошка, форполимерфталоцианиновой смолы и воды, распыляют ее при комнатной температуре с образованием слоя шликера толщиной 0,3-0,5 мм и термообрабатывают при 800°С в течение 8 часов.A known method of obtaining an oxidation-resistant coating based on SiAlON-Al 2 O 3 for stainless steel (patent CN106700899 (A) dated May 24, 2017). In this method, powders of microcrystalline muscovite and aluminum are mixed with ethanol and processed in a ball mill for 8-10 hours, and then a composite binder is introduced and dried at a temperature of 50-80 ° C for about 30-40 minutes, then placed in a microwave oven with a high temperature nitrogen atmosphere and incubated at 1300-1500°C for 4-6 hours and cooled to room temperature. To obtain a coating, a suspension is made from a composite powder, a prepolymer phthalocyanine resin and water, sprayed at room temperature to form a slip layer 0.3-0.5 mm thick and heat treated at 800°C for 8 hours.
Известен способ получения износо-коррозионногостойкого градиентного покрытия (патент RU 2551037 С2 от 20.05.2015 г.), включающий в себя подачу металлического порошка в сверхзвуковой поток газа с образованием гетерофазного потока и нанесение его на поверхность изделия, взятый за прототип. Способ заключается в том, что металлический порошок циркония или его сплава, или хрома или его сплава, подают в потоке инертного газа, затем осуществляют подачу в поток инертного газа с указанным металлическим порошком реакционного газа с увеличением его объемного содержания в упомянутом потоке по линейному или экспоненциальному закону с обеспечением увеличения содержания соединения упомянутого металлического порошка с указанным реакционным газом в виде абсорбированных частиц в покрытии от 0% на поверхности адгезивного слоя до 100% на поверхности получаемого покрытия. Регулируя соотношение газов, осуществляется получение слоев покрытий с необходимыми твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Микротвердость покрытий, полученных известным способом, достигла 12 ГПа. Недостатком настоящего изобретения является сложная конструкция системы подачи газов и сложная процедура контроля и регулирования требуемого состава смеси инертного и реакционного газов, в результате чего невозможно обеспечить контролируемый градиент состава и свойств в покрытии.A known method for obtaining a wear-corrosion-resistant gradient coating (patent RU 2551037 C2 dated May 20, 2015), which includes the supply of metal powder into a supersonic gas flow with the formation of a heterophase flow and applying it to the surface of the product, taken as a prototype. The method consists in that the metal powder of zirconium or its alloy, or chromium or its alloy, is fed in an inert gas flow, then the reaction gas is fed into the inert gas flow with the specified metal powder of the reaction gas with an increase in its volume content in the said flow along a linear or exponential to the law to increase the content of the compound of the mentioned metal powder with the specified reaction gas in the form of absorbed particles in the coating from 0% on the surface of the adhesive layer to 100% on the surface of the resulting coating. By adjusting the ratio of gases, coating layers with the required hardness, wear resistance and corrosion resistance are obtained. The microhardness of the coatings obtained by the known method reached 12 GPa. The disadvantage of the present invention is the complex design of the gas supply system and the complex procedure for monitoring and regulating the required composition of the mixture of inert and reaction gases, as a result of which it is impossible to provide a controlled gradient of composition and properties in the coating.
Таким образом, недостатком известных способов, в том числе прототипа, является высокая пористость, низкая твердость и адгезия формируемых покрытий (пористость 3-10%, твердость менее 104,6 HV (1,1 ГПа), адгезия ниже 20 МПа). Кроме того, все указанные способы включают в себя длительные операции термообработки, осложненного контроля за процессом и механообработки, за счет чего значительно удорожается технология.Thus, the disadvantage of known methods, including the prototype, is high porosity, low hardness and adhesion of the formed coatings (porosity 3-10%, hardness less than 104.6 HV (1.1 GPa), adhesion below 20 MPa). In addition, all of these methods include long-term heat treatment, complicated process control and machining, due to which the technology becomes much more expensive.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа напыления градиентного покрытия на основе композиционного объемно-армированного порошкового материала системы Al:Si3N4:SiAlON с твердостью до 7 ГПа, адгезией до 60 МПа и пористостью ниже 1%.The technical result of the present invention is the creation of a method for spraying a gradient coating based on a composite volume-reinforced powder material of the Al:Si 3 N 4 :SiAlON system with a hardness up to 7 GPa, adhesion up to 60 MPa and a porosity below 1%.
Технический результат достигается за счет того, что в отличие от известных способов смешивают используемый в качестве матрицы порошок алюминия фракцией 80-130 мкм и используемый в качестве упрочняющей фазы плазмохимический порошок Si3N4B количестве 55 мас. % с частицами волокнистой формы с диаметром менее 100 нм и соотношением диаметра к длине, составляющим 1:20, причем соотношение удельных площадей поверхности порошка алюминия и плазмохимического порошка Si3N4 составляет 1:(1-1,2), проводят механосинтез на аттриторной установке полученной порошковой смеси в течение 20 мин при скорости вращения чашек 1200-1400 об/мин с получением композиционного порошка для формирования адгезионного слоя, содержащего 5 мас. % объемно-упрочняющей фазы SiAlON, затем смешивают используемый в качестве матрицы порошок алюминия фракцией 80-130 мкм и используемый в качестве упрочняющей фазы плазмохимический порошок Si3N4 в количестве 65 мас. % с частицами волокнистой формы с диаметром менее 100 нм и соотношением диаметра к длине, составляющим 1:20, причем соотношение удельных площадей поверхности порошка алюминия и плазмохимического порошка Si3N4 составляет 1:(1-1,2), проводят механосинтез на аттриторной установке полученной порошковой смеси в течение 20 мин при скорости вращения чашек 1200-1400 об/мин с получением композиционного порошка для формирования периферийного слоя, содержащего 8 мас. % объемно-упрочняющей фазы SiAlON, проводят послойное сверхзвуковое холодное газодинамическое напыление на подложку со скоростью воздушного потока 500-1200 м/сек упомянутого композиционного порошка для формирования адгезионного слоя и упомянутого композиционного порошка для формирования периферийного слоя. Это обеспечивает высокую интегральную твердость покрытия, напыляемого на основе созданного композиционного порошка.The technical result is achieved due to the fact that, in contrast to known methods, aluminum powder with a fraction of 80-130 μm used as a matrix is mixed and plasma-chemical Si 3 N 4 B powder used as a hardening phase in the amount of 55 wt. % with fibrous particles with a diameter of less than 100 nm and a ratio of diameter to length of 1:20, and the ratio of specific surface areas of aluminum powder and plasma-chemical Si 3 N 4 powder is 1: (1-1.2), mechanosynthesis is carried out on an attritor installation of the resulting powder mixture for 20 min at a speed of rotation of the cups 1200-1400 rpm to obtain a composite powder for forming an adhesive layer containing 5 wt. % volume-strengthening phase SiAlON, then mixed used as a matrix aluminum powder with a fraction of 80-130 μm and used as a hardening phase plasma chemical powder Si 3 N 4 in the amount of 65 wt. % with fibrous particles with a diameter of less than 100 nm and a ratio of diameter to length of 1:20, and the ratio of specific surface areas of aluminum powder and plasma-chemical Si 3 N 4 powder is 1: (1-1.2), mechanosynthesis is carried out on an attritor installation of the resulting powder mixture for 20 min at a speed of rotation of the cups 1200-1400 rpm to obtain a composite powder for forming a peripheral layer containing 8 wt. % of the SiAlON volume-strengthening phase, layer-by-layer supersonic cold gas-dynamic spraying is carried out on the substrate at an air flow speed of 500-1200 m/s of the mentioned composite powder for forming the adhesive layer and the said composite powder for forming the peripheral layer. This provides a high integral hardness of the coating sprayed on the basis of the created composite powder.
В системе «матрица-армирующий компонент» в качестве матричной фазы используют порошок алюминия фракцией 80-130 мкм и удельной площадью поверхности 1,47-1,52 м2/г в количестве 35-45% масс. В качестве упрочняющей фазы применялся плазмохимический нитрид кремния фракцией менее 20 мкм и удельной площадью поверхности 1,28-1,31 м2/г с частицами волокнистой формы в количестве 45-65% масс. Причем для устойчивого формирования 
В процессе управляемого механосинтеза при заявленных скоростях формируются плотные сферические частицы с образованием прочной связи между наноразмерными частицами нитрида кремния и частицами алюминиевого порошка (фигура 1). Для исследования внутреннего строения композита, из порошка и смолы были изготовлены шлифы, которые впоследствии были просканированы на двулучевом растровом электронно-ионном микроскопе «FEI Quanta 200 3D FEG». Как видно из изображения поперечного разреза композиционной частицы (фигура 2), частицы представляют из себя объемно-армированные конгломераты из алюминия и нитрида кремния, прочно скрепленных между собой, а внутренняя пористость составляет не более 0,01% при диаметре пор не более 175 нм. При скоростях вращения рабочих элементов в процессе механосинтеза менее 1200 об/мин на материал не передается достаточного количества механической энергии для образования беспористых композиционных частиц и фазы 
При добавлении нитрида кремния более 65% не обеспечивается прочная механическая связь между наноразмерными частицами Si3N4, что приводит к повышению пористости до 10%; и охрупчиванию напыляемого покрытия. При добавлении менее 45% не достигается необходимого значения твердости напыляемого покрытия. Частицы Si3N4 волокнистой формы должны иметь соотношение диаметра к длине не менее чем 1:20, причем диаметр волокна должен быть менее 100 нм, иначе, как показывают расчеты, объемная энергия будет преобладать над поверхностной. Это делает невозможным образование плотных композиционных частиц за счет высокой поверхностной энергии нанокристаллических компонентов. Порошок алюминия фракцией (80-130 мкм) и порошок Si3N4 фракцией (<20 мкм) смешиваются в массовом соотношении Al:Si3N4=1:(0,82-1,86).When silicon nitride is added more than 65%, a strong mechanical bond between nanosized Si 3 N 4 particles is not provided, which leads to an increase in porosity up to 10%; and brittleness of the sprayed coating. When adding less than 45%, the required value of the hardness of the sprayed coating is not achieved. Particles of Si 3 N 4 fibrous form must have a diameter to length ratio of at least 1:20, and the fiber diameter must be less than 100 nm, otherwise, as calculations show, the volume energy will prevail over the surface. This makes it impossible to form dense composite particles due to the high surface energy of nanocrystalline components. Aluminum powder fraction (80-130 μm) and powder Si 3 N 4 fraction (<20 μm) are mixed in a mass ratio of Al:Si 3 N 4 =1:(0.82-1.86).
При изменении соотношения удельных площадей поверхности порошков алюминия и нитрида кремния не происходит устойчивого формирования на границе фазы 
При сверхзвуковом «холодном» газодинамическом напылении порошковый материал ускоряется в сверхзвуковом сопле потоком сжатого воздуха 500-1200 м/с и направляется на покрываемую поверхность, при этом температура наносимого материала не превышает 100°С. При изменении режимов напыления в сторону уменьшения скорости сжатого воздуха (менее 500 м/сек) кинетическая энергия частиц, выделяющаяся при столкновении с подложкой, недостаточна для образования единичных микроспаев в зоне контакта, из-за чего не происходит формирования покрытия. При увеличении скорости сжатого воздуха (более 1200 м/сек) происходит нелинейная интенсификация процесса напыления, чрезмерно высокий расход напыляемого материала, неравномерное и неконтролируемое образование покрытия, что исключает возможность формирования качественного покрытия, равномерного по толщине.During supersonic "cold" gas-dynamic spraying, the powder material is accelerated in a supersonic nozzle by a compressed air flow of 500-1200 m/s and directed to the surface to be coated, while the temperature of the applied material does not exceed 100°C. When changing the spraying regimes in the direction of decreasing the speed of compressed air (less than 500 m/s), the kinetic energy of the particles released upon collision with the substrate is insufficient for the formation of single microjunctions in the contact zone, due to which the coating does not form. With an increase in the speed of compressed air (more than 1200 m/s), a non-linear intensification of the spraying process occurs, an excessively high consumption of the sprayed material, uneven and uncontrolled formation of a coating, which excludes the possibility of forming a high-quality coating that is uniform in thickness.
Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей поэтапно разработанной схеме:The practical implementation of the proposed technical solution was carried out according to the following step-by-step developed scheme:
- создание порошковых смесей из алюминиевого порошка и нанопорошка нитрида кремния, с указанным составом и размерными критериями;- creation of powder mixtures from aluminum powder and silicon nitride nanopowder, with the specified composition and dimensional criteria;
- получасовая гомогенизация смеси, в порошковом смесителе типа «Пьяная бочка»;- half-hour homogenization of the mixture, in a powder mixer of the "Drunken Barrel" type;
- высокоэнергетическая аттриторная обработка порошка в течение 20 минут при скорости вращения чашек в пределах 1200-1400 об/мин;- high-energy attritor processing of the powder for 20 minutes at a speed of rotation of the cups in the range of 1200-1400 rpm;
- напыление градиентного покрытия методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления при скоростях напыления 500-1200 м/сек из композиционных двух граничных составов.- spraying of a gradient coating by the method of supersonic "cold" gas-dynamic spraying at spraying speeds of 500-1200 m/s from composite two boundary compositions.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:The essence of the invention is illustrated by drawings, which show:
на фиг. 1 - СЭМ изображение частицы композиционного наноструктурированного порошка системы 
на фиг. 2 - СЭМ изображение шлифа частицы композиционного наноструктурированного порошка системы 
на фиг. 3 - СЭМ изображение поперечного шлифа градиентного покрытия, полученного на основе композиционного наноструктурированного порошка системы 
Покрытие, напыляемое на основе композиционного порошка системы 
Пример 1:Example 1:
К микронному порошку алюминия марки ПАВЧ фракцией 80-130 мкм добавляли наноразмерный материал Si3N4 фракцией <20 мкм с соотношением линейных измерений частицы 1:20 и диаметром волокна менее 100 нм в количестве 55% масс. Смесь подвергалась получасовой гомогенизации в порошковом смесителе Mixer 0,5. Механосинтез производили на аттриторной установке ИВЧ-3 в течение 20 минут при скорости вращения чашек 1200 об/мин.Nanosized material Si 3 N 4 fraction <20 µm with a ratio of linear particle measurements of 1:20 and a fiber diameter of less than 100 nm in the amount of 55 wt. The mixture was homogenized for half an hour in a Mixer 0.5 powder mixer. Mechanosynthesis was carried out on an IVCh-3 attritor unit for 20 minutes at a cup rotation speed of 1200 rpm.
Состав напыляемого материала для адгезионного слоя, определенный на рентгеновском дифрактометре Rigaku, в масс. %:The composition of the sprayed material for the adhesive layer, determined on a Rigaku X-ray diffractometer, in wt. %:
Al-42%;Al-42%;
Si3N4-53%;Si 3 N 4 -53%;
К микронному порошку алюминия марки ПАВЧ фракцией 80-130 добавляли наноразмерный материал Si3N4 фракцией <20 мкм с соотношением линейных измерений частицы 1:20 и диаметром волокна менее 100 нм в количестве 65% масс. Смесь подвергалась получасовой гомогенизации в порошковом смесителе Mixer 0,5. Механосинтез производили на аттриторной установке ИВЧ-3 в течение 20 минут при скорости вращения чашек 1200 об/мин.To a micron powder of aluminum of the PAVA grade with a fraction of 80-130, a nanosized material Si 3 N 4 with a fraction of <20 μm was added with a ratio of linear particle measurements of 1:20 and a fiber diameter of less than 100 nm in an amount of 65% of the mass. The mixture was homogenized for half an hour in a Mixer 0.5 powder mixer. Mechanosynthesis was carried out on an IVCh-3 attritor unit for 20 minutes at a cup rotation speed of 1200 rpm.
Состав напыляемого материала для периферийного слоя, определенный на рентгеновском дифрактометре Rigaku, в масс. %:The composition of the sprayed material for the peripheral layer, determined on a Rigaku X-ray diffractometer, in wt. %:
Al-31%;Al-31%;
Si3N4-61%;Si 3 N 4 -61%;
Напыление покрытий из синтезированных наноструктурированных композиционных порошков размерностью от 80 до 120 мкм производилась на установке ХГДН типа Димет-403 со скоростью воздушного потока 500 м/сек. Предварительно на подложку производилось напыление композиционного порошка для формирования адгезионного подслоя (с содержанием 
Толщина покрытий, формируемых этим способом, составляет до 10 мм, что обеспечивает требуемые эксплуатационные характеристики. Пористость такого рода покрытий, измеренная с помощью компьютеризированного анализа изображения поперечного шлифа на микроскопе LeicaDM-2500, составила 0,8%. Результаты исследований микротвердости, производимые на универсальном исследовательском комплексе «НаноСкан-3Д», показали, что покрытия, полученные ХГДН имеют градиент микротвердости 6-7 ГПа, пористость 0,8%, адгезию 60 МПа, показатель упругого восстановления 0,04 и сопротивление пластической деформации 0,008. Пример 2:The thickness of the coatings formed by this method is up to 10 mm, which provides the required performance characteristics. The porosity of such coatings, measured by computerized image analysis of a transverse section on a LeicaDM-2500 microscope, was 0.8%. The results of microhardness studies carried out at the NanoScan-3D universal research complex showed that the coatings obtained by CGDN have a microhardness gradient of 6-7 GPa, porosity of 0.8%, adhesion of 60 MPa, an elastic recovery index of 0.04, and resistance to plastic deformation. 0.008. Example 2:
К микронному порошку алюминия марки ПАВЧ добавляли наноразмерный материал Si3N4 фракцией <20 мкм с соотношением линейных измерений частицы 1:20 и диаметром волокна менее 100 нм в количестве 55% масс. Смесь подвергалась получасовой гомогенизации в порошковом смесителе Mixer 0,5. Механосинтез производили на аттриторной установке ИВЧ-3 в течение 20 минут при скорости вращения чашек 1400 об/мин.Nanosized material Si 3 N 4 fraction <20 μm with a ratio of linear particle measurements of 1:20 and a fiber diameter of less than 100 nm was added to a micron powder of aluminum of the PAVA grade in an amount of 55% of the mass. The mixture was homogenized for half an hour in a Mixer 0.5 powder mixer. Mechanosynthesis was carried out on an IVCh-3 attritor unit for 20 minutes at a cup rotation speed of 1400 rpm.
Состав напыляемого материала для адгезионного слоя, определенный на рентгеновском дифрактометре Rigaku, в масс. %:The composition of the sprayed material for the adhesive layer, determined on a Rigaku X-ray diffractometer, in wt. %:
Al-42%;Al-42%;
Si3N4-53%;Si 3 N 4 -53%;
К микронному порошку алюминия добавляли наноразмерный материал Si3N4 фракцией <20 мкм с соотношением линейных измерений частицы 1:20 и диаметром волокна менее 100 нм в количестве 65% масс. Смесь подвергалась получасовой гомогенизации в порошковом смесителе Mixer 0,5. Механосинтез производили на аттриторной установке ИВЧ-3 в течение 20 минут при скорости вращения чашек 1400 об/мин.To micron aluminum powder was added nanosized material Si 3 N 4 fraction <20 μm with a ratio of linear particle measurements of 1:20 and a fiber diameter of less than 100 nm in the amount of 65% of the mass. The mixture was homogenized for half an hour in a Mixer 0.5 powder mixer. Mechanosynthesis was carried out on an IVCh-3 attritor unit for 20 minutes at a cup rotation speed of 1400 rpm.
Состав напыляемого материала для периферийного слоя, определенный на рентгеновском дифрактометре Rigaku, в масс. %:The composition of the sprayed material for the peripheral layer, determined on a Rigaku X-ray diffractometer, in wt. %:
Al-31%;Al-31%;
Si3N4-61%;Si 3 N 4 -61%;
Напыление покрытий из синтезированных наноструктурированных композиционных порошков размерностью от 80 до 120 мкм производилась на установке ХГДН типа Димет-403 со скоростью воздушного потока 1200 м/сек. Предварительно на подложку производилось напыление композиционного порошка для формирования адгезионного подслоя (с содержанием 
Толщина покрытий, формируемых этим способом, составляет до 10 мм, что обеспечивает требуемые эксплуатационные характеристики. Пористость такого рода покрытий, измеренная с помощью компьютеризированного анализа изображения поперечного шлифа на микроскопе LeicaDM-2500, составила 0,3%. Результаты исследований микротвердости, производимые на универсальном исследовательском комплексе «НаноСкан-3Д», показали, что покрытия имеют градиент микротвердости 6-7 ГПа, пористость 0,6%, адгезию 50 МПа, показатель упругого восстановления 0,06 и сопротивление пластической деформации 0,022.The thickness of the coatings formed by this method is up to 10 mm, which provides the required performance characteristics. The porosity of such coatings, measured using a computerized image analysis of a transverse section on a LeicaDM-2500 microscope, was 0.3%. The results of microhardness studies carried out at the NanoScan-3D universal research complex showed that the coatings have a microhardness gradient of 6–7 GPa, porosity of 0.6%, adhesion of 50 MPa, an elastic recovery index of 0.06, and resistance to plastic deformation of 0.022.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2785506C1 true RU2785506C1 (en) | 2022-12-08 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2503740C2 (en) * | 2011-10-18 | 2014-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of making composite coatings by coaxial laser surfacing |
| RU2551037C2 (en) * | 2013-09-03 | 2015-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method for obtaining wear and corrosion resistant gradient coating |
| RU2721109C1 (en) * | 2019-10-29 | 2020-05-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method for additive production of articles from high-strength aluminum alloys with a functional gradient structure |
| CN110373623B (en) * | 2019-06-13 | 2021-03-26 | 东南大学 | Gradient self-lubricating bearing and preparation method thereof |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2503740C2 (en) * | 2011-10-18 | 2014-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of making composite coatings by coaxial laser surfacing |
| RU2551037C2 (en) * | 2013-09-03 | 2015-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method for obtaining wear and corrosion resistant gradient coating |
| CN110373623B (en) * | 2019-06-13 | 2021-03-26 | 东南大学 | Gradient self-lubricating bearing and preparation method thereof |
| RU2721109C1 (en) * | 2019-10-29 | 2020-05-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method for additive production of articles from high-strength aluminum alloys with a functional gradient structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Abd-Elwahed et al. | Effects of ZrO2 nanoparticle content on microstructure and wear behavior of titanium matrix composite | |
| CN111005019B (en) | Method for preparing TiC/TiB wear-resistant coating in situ through laser cladding | |
| JP5404032B2 (en) | Thermal spray raw material composition | |
| JP7394113B2 (en) | Methods and compositions for forming hybrid aluminum composite coatings | |
| Dhanda et al. | Development and characterization of hard and wear resistant MMC coating on Ti-6Al-4V substrate by laser cladding | |
| Liu et al. | In situ synthesis of TiN/Ti3Al intermetallic matrix composite coatings on Ti6Al4V alloy | |
| CN103898499B (en) | One is prepared SiC/Al by precursor pyrolysis and hot pressing2o3the method of coating | |
| CN104651830A (en) | Powdered material and method for synthesizing ceramic particle reinforced cladding layer on aluminum alloy surface | |
| RU2625618C1 (en) | Method of making multi-layer compositive coating | |
| Machethe et al. | Influence of SiC-Ti/Al on the microstructural and mechanical properties of deposited Ti-6V-4Al alloy with cold spray technique | |
| Ukhina et al. | Effect of the surface modification of synthetic diamond with nickel or tungsten on the properties of copper–diamond composites | |
| Sarjas et al. | Wear resistance of HVOF sprayed coatings from mechanically activated thermally synthesized Cr3C2–Ni spray powder | |
| RU2785506C1 (en) | METHOD FOR SPRAYING A GRADIENT COATING BASED ON A COMPOSITE POWDER OF THE Al:Si3N4:SiAlON SYSTEM | |
| KR102241466B1 (en) | Pump shaft sleeve and manufacturing method of the same | |
| CN108220957B (en) | Titanium alloy surface high-temperature-resistant coating and preparation method thereof | |
| CN109231990A (en) | A kind of preparation method of tungsten carbide-diamond composite | |
| Rajaei et al. | Effect of Composition on Mechanical Properties of Mullite-WC Nano Composites Prepared by Spark Plasma Sintering. | |
| CN113025941A (en) | Cr3C 2-based wear-resistant coating and supersonic flame spraying preparation method and application | |
| Yang et al. | Effect of TiB content on the properties of Al-TiB composites | |
| Syzonenko et al. | High-energy synthesis of metalomatric composites hardened by max phases of Ti-Al-C system | |
| CN114101680B (en) | Preparation method of hard layer on surface of titanium alloy | |
| RU2763698C1 (en) | Method for obtaining functional-gradient coatings on metal products | |
| Ayvaz et al. | Effect of shot blasting on the boriding kinetics of AISI 316L stainless steel | |
| RU2791259C1 (en) | METHOD FOR GAS-THERMAL SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON Ti/TiB2 SYSTEM | |
| TWI790033B (en) | Preparation method of light metal/boron carbide composite material |