Разработка технологии микроплазменного осаждения функциональных покрытий с элементами наноструктуры

Актуальность исследования.

Анализ программ ведущих промышленно развитых стран показывает, что в настоящее время более 80% производимых изделий используется с покрытиями различного, назначения. Основной тенденцией? в создании конкурентоспособных изделий является изготовление изделия из недорогого, хорошо обрабатываемого материала и последующего нанесения на него покрытия для обеспечения требуемых поверхностных свойств.

Одним из самых эффективных и> востребованных способовулучшения поверхностных свойствдеталей больших размеров является газотермическое осаждение. Этот вид технологий позволяет покрывать поверхность деталей любого размера* и создавать поверхностные слои" толщиной от долей микрона до нескольких миллиметров.

Наиболее распространенным в промышленности вариантом" газотермического осаждения является плазменное осаждение металлов, сплавов, оксидов, карбидов и их комбинаций. Традиционно для* его реализации используются плазмотроны мощностью <�• от 15 до 40 КВт с длиной струи от 7 до 10 см, а в качестве исходных материалов — порошки фракцией от 30 до 150 мкм.

Как показывают публикации последнего времени [1, 2, 3], наноструктурированные покрытия обладают существенно лучшим комплексом эксплуатационных свойств по сравнению с обычными покрытиями такого же состава из порошков от 20 до 100 микрон. Однако получение покрытий с наноструктурой обычным плазменным осаждением сопряжено с трудностями. Которые заключаются в деградации структуры наноструктурированного порошка в результате длительного пребывания в области высоких температур плазменной струи [4].

В этой связи актуальным представляется исследование возможности использования для получения наноструктурированных покрытий сравнительно нового метода микроплазменного осаждения [4]. Для этого используются плазмотроны малой мощности от 2 до 3 КВт с длиной * плазменной струи от 1 до 2 см.

Целью работы является разработка технологических принципов формирования методом микроплазменного осаждения функциональных и функционально-градиентных покрытий с элементами^ наноструктуры, характеризующихся высокой коррозионной и износостойкостью. Для достижения поставленной, целибыло необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизировать, обобщить и проанализировать научно-техническую литературу по проблеме создания исходных композиционных порошков, а также нанесения функциональных покрытий методамигазотермического осаждения.

2. Провести экспериментальные исследования и обосновать выбор методов создания композиционных порошковых реагентов с элементами субмикроструктуры и наноструктуры, перспективных для использования в микроплазменных технологиях.

3. На примере базового сплава Х20Ю6ИТ исследовать влияние температурно-скоростных параметров процесса микроплазменного осаждения на основные физико-механические характеристики функциональных покрытий.

4. Выявить общие закономерности получения покрытий с элементами наноструктуры методом микроплазменного осаждения с использованием порошков систем Fe-Cr-Al, Al-Zn-Sn, а также AI, Cr, WC/Co, А1203.

5. Рекомендовать на основании установленных закономерностей технологические принципы получения наноструктурированных покрытий, обладающих заданным комплексом свойств.

6. Провести комплексные исследования влияния технологических режимов осаждения на формирование структуры функциональных и функционально-градиентных покрытий.

7. Оценить возможность практического применения разработанных функциональных и. функционально-градиентных покрытий с элементами* наноструктуры и создания на их основе изделий с требуемыми поверхностными свойствами".

Научная новизна диссертационной* работы-состоит в следующем: 1. Экспериментально установлены закономерности' синтеза" исходных наноструктурированных" порошковых композиций, заключающиеся-в том, что частицы нанопорошка. связаны с поверхностью частиц материала основы настолько прочно, чтобы сохранять связь, без разрыва при переносе в плазменной * струе. Показано, что конечная высокотемпературная1 обработка позволяет удалить излишний материал связки, и сохранить фазовый состав исходных частиц.

2. Выявлены закономерности влияния температурно-скоростных параметров процесса микроплазменного осаждения на основные физико-механические характеристики покрытий. Показано, что основной причиной образования пористости покрытия является недостаточно равномерное расплавление порошкового реагента и появление полостей на границах непереплавленных частиц.

3. Экспериментально выявлен характер влияния состава и структуры порошковых реагентов наосновные физико-химические свойства получаемых микроплазменным осаждением покрытий. Показано, что микроплазменное осаждение позволяет сохранить наноструктуру исходного порошка, снижая пористость покрытий до 1% и уменьшая скорость коррозии покрытий.

4. Определен характер1 взаимосвязи структуры функционально-градиентных покрытий, получаемых микроплазменным осаждением, и их физических и механических свойств. Показано, что возможно наносить покрытия, одновременно регулируя содержание компонентов, что позволяет объединять высокую адгезионную прочность покрытия с высокой твердостью и износостойкостью.

Практическая ценность работы:

1. Разработан, метод создания композиционных порошковых реагентов с элементами наноструктуры!

2. Разработаны технологии получения * функциональных покрытий с пониженным уровнем пористости на основе порошковых материалов с элементами наноструктуры.

3. Разработан способ обеспечения адгезионной прочности микроплазменных покрытий, основанный на использовании подслоя, нанесенного методом сверхзвукового «холодного» газодинамического осаждения, или композиционных порошков.

4. Разработана схема реализации процесса микроплазменного осаждения функционально-градиентных покрытий, обеспечивающая высокий уровень адгезии, повышение микротвердости и износостойкости.

5. Даны рекомендации по расширению областей практического применения метода МПО.

6. Результаты исследования внедрены в практику подготовки студентов СПбГПУ по специальностям «Наноматериалы» и «Материаловедение и технологии новых материалов».

Основные выводы работы подтверждаются результатами и испытаниями на опытном производстве. Результаты работы внедрены и эксплуатируются на предприятиях Санкт-Петербурга и области (ХК «Ленинец», ООО «Интех»). Создан научно-производственный участок по нанесению покрытий на опытном производстве ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».

На защиту выносится:

1. Выявленные взаимосвязи между параметрами процесса микроплазменного осаждения и строением и свойствами покрытий.

2. Совокупность физико-химических закономерностей, определяющих условия формирования покрытий сплава Х20Ю6ИТ и Сг методом МПО.

3. Закономерности процесса, синтеза композиционных порошков, допускающего широкую реализацию по фракционному и химическому составу исходных компонентов, для процессов газотермического нанесения покрытий.

4. Технология микроплазменного осаждения износои коррозионностойких покрытий с элементами наноструктуры, позволяющая снизить пористость покрытий до 0.5% и повысить микротвердость в 2 раза (заявка на патент РФ).

5. Технология микроплазменного осаждения коррозионностойких покрытий металлического Сг в качестве замены традиционной технологии нанесения коррозионностойких покрытий из материалов, не отвечающих требованиям по малоактивируемости под действием облучения и быстрого спада наведенной активности во времени.

6. Способ нанесения функционально-градиентного покрытия за счет использования подачи порошкового реагента из двух независимых дозаторов, который позволяет в процессе осаждения регулировать значение твердости по толщине покрытия с сохранением высокой адгезионной прочности (заявка на патент РФ).

Общие выводы.

1. Выявлены основные закономерности создания’композиционных порошков для осаждения методом грануляции с использованием органического связующего. Показано, что при конечной высокотемпературной обработке не происходит фазовых превращений в частицах, эта обработка позволяет удалить весь излишний материал связки. Обоснован* процесс нанесения полученных композиционных порошков, позволяющих сохранить наноструктуру покрытия.

2. Проведены экспериментальные исследования4 методовсоздания композиционных порошковых реагентов с элементами наноструктуры для осаждения. Показано, что метод грануляции* с использованием органического связующего позволяет использовать в качестве реагентов порошки любого требуемого фракционного и химического состава.

3. Выявлены основные закономерности влияния температурно-скоростных параметров* процесса микроплазменного' осаждения сплава Х20Ю6ИТ на физико-механические свойства покрытий. Показано, что основной причиной образования пористости покрытия является недостаточно однородное расплавление порошкового реагента.

4. Установлено, что покрытия с пористостью до 3% могут быть получены при количестве энергии, переносимом плазменной струей, равном 7500 Дж/л и расстоянии между соплом и подложкой 3,3 см.

5. Показано, что использование в качестве реагента композиционных порошков с элементами наноструктуры позволяет снизить пористость функциональных покрытий до 1% при повышении микротвердости покрытия в 2 раза.

6. Разработана технология микроплазменного осаждения коррозионностойких покрытий металлического Сг на внутреннюю поверхность атомных реакторов с уровнем пористости 1,8−3,6% и скоростью коррозии 0,081 мм/год.

7. Разработана схема осаждения с использованием двух автономных дозаторов для получения функционально-градиентных покрытий с высокой адгезией и регулируемым по толщине покрытия уровнем твердости. Показана возможность повышения твердости покрытий системы А1−2п-8п с добавкой оксида алюминия с 0,6 ГПа до 3,3 ГПа.