Разработка технологии микроплазменного осаждения функциональных покрытий с элементами наноструктуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Шолкин, Сергей Евгеньевич

• Шолкин, Сергей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шолкин, Сергей Евгеньевич

Введение.

ГЛАВА 1. Основные направления работ в области создания композиционных порошковых материалов для осаждения и нанесения покрытий методами газотермического осаждения.

1.1 Осаждение покрытий.

1.2 Осаждение наноструктурированных покрытий.

1.3 Порошковые материалы для осаждения.•.

1.4 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Принципиальные схемы используемых в работе технологических процессов.

2.2 Исходные материалы

2.3 Технологическое оборудование.

2.3.1 Микроплазменное осаждение.

2.3.2 Ударно-дезинтеграторная обработка.

2.4 Диагностическое оборудование и методики исследования.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ГРАНУЛЯЦИИ ПОРОШКОВЫХ РЕАГЕНТОВ РАЗЛИЧНОГО ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ.

3.1 Исследование процесса механического смешивания порошка алюминия с нанопорошком оксида алюминия.

3.2 Исследование процесса распылительной сушки нанопорошка оксида алюминия.

3.3 Исследование процесса грануляции нанопорошка оксида алюминия с использованием материала связки.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ СПЛАВА МАРКИ Х20Ю6ИТ МЕТОДОМ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОСАЖДЕНИЯ. РАЗРАБОТКА БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

4.1 Расчет количества энергии, переносимого струей плазмы.

4.2 Исследование процесса осаждения покрытия сплава Х20Ю6ИТ.

4.2.1 Исследование влияния плотности потока осаждаемого материала на физико-механические свойства получаемого покрытия.

4.2.2 Исследование влияния расстояния между срезом сопла плазматрона и поверхностью подложки на физико-механические свойства покрытия

4.2.3 Исследование влияния количества энергии переносимое струей плазмы на физико-механические свойства покрытий.

4.2.4 Исследование возможности улучшения эксплуатационных свойств покрытия за счет дополнительной обработки.

4.2.5 Исследование методов повышения адгезии покрытия

4.3 Исследование влияния свойств материала порошкового реагента на физико-механические свойства покрытий.

4.3.1 Испытания химических свойств покрытия сплава Х20Ю6ИТ

4.3.2 Исследование влияния фракционного состава исходного»порошка на физико-механические свойства покрытий

4.3.3 Исследование физико-механических свойств покрытий при использовании композиционных порошков для осаждения

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ, ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ5 С ЭЛЕМЕНТАМИ НАНОСТРУКТУРЫ В

КАЧЕСТВЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ.

5.1 Нанесение коррозионностойкого покрытия металлического хрома.

5.2 Нанесение износостойкого покрытия из карбида вольфрама .Г

5.3 Нанесение функционально-градиентных покрытий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 способов- улучшения поверхностных свойств; деталей 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, цели- было необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизировать, обобщить и проанализировать научно-техническую литературу по проблеме создания исходных композиционных порошков, а также нанесения функциональных покрытий методами- газотермического 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 износо- и 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).

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Шолкин, Сергей Евгеньевич

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 методов- создания 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шолкин, Сергей Евгеньевич, 2011 год

1. Siegmann, S. The role of nano-particles in the field of thermal spray coating technology / S. Siegmann, M. Leparoux, L. Rohr/ Proc. ofSPIE Nanotechnology and Nanophotonics, Dublin, Ireland; 2005 2005. - p. 224-231.

2. Chawla V. Perfopmance of plasma sprayed1* nanostructured and, conventional coatings /V. Chawla, B.S. Sidhu, D. Puri, S. Prakash/ Journal of the Australian Ceramic Society. -2008. Vol. 44. - №2. - p. 56-62.

3. Gell, M. Development and- implementation of plasma sprayed nanostructured ceramic coatings / M. Gell et al/ Surface and Coatings Technology. 2001. - Vol. 146.-p. 48-49.

4. Wang, Liu-ying. Properties of Multi-function Micro-plasma sprayed nanostructured Al203-13wt%Ti02 coatings /Liu-ying Wang, Gu Liu, 'Han-gong Wang, Shao-chun >Hua / Key Engineering Materials. 2008. - Vol. 373. - p. 59-63.

5. Балдаев, JI.X. Перспективы применения* газотермических методов напыления- при ремонте и* производстве оборудования? / JI.X. Балдаев, Е.А. Панфилов / Конверсия в машиностроении. 2006. - № 2. - С. 20-22.

6. Озерин, А.Н. О' функциональных и «умных» материалах /А.Н. Озерин/ Российские нанотехнологии. 2008. - т. 3. - С. 5-6.

7. Рыбин, В.В. Наноматериалы конструкционного и функционального класса/ Рыбин В.В., Кузнецов П.А., Улин И.В., Фармаковский Б.В., Бахарева В.Е./ Вопросы материаловедения. 2006. - № 1. - С. 169-177.

8. Нанесение покрытий плазмой / В.В. Кудинов и др. Новосибирск: Наука, 1990.-403 с.

9. ГОСТ 9.908-85. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. Технические требования Текст]. Введ. 01.01.1987. М. : Изд-во стандартов, 1999. - 18 с. : ил. ; 29 см.

10. ГОСТ 6032-2003. Стали и сплавы коррозионно-стойкие. Методы испытаний на стойкость к межкристаллитной коррозии. Технические требования Текст]. Введ. 01.01.2005. М. : ФГУП «Стандартинформ», 2005. -27 с. : ил. ; 29 см.

11. Рыбин, В.В. Создание свариваемой стали с ускоренным спадом наведенной радиоактивности для корпусов реакторов повышенного ресурса и экологической безопасности /Рыбин В.В: и др./ Вопросы материаловедения. -2009. -№3. С. 138-151.

12. МсWilliams, A. High-Performance Ceramic Coatings: Markets and Technologies. 2007. материалы интернет-ресурс bccresearch http://www.bccresearch.com/report/AVMO 15D.html. Дата обращения 15.07.2010*

13. Кудинов, В.В. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий / Кудинов В.В., Иванов В.М. Москва: Машиностроение, 1981 - 191 стр.

14. ГОСТ 28076-89. Газотермическое напыление. Технические требования. Введ. 07.01.1990. М. : Изд-во стандартов. - 1989. - 10 с. : ил. ; 29 см.

15. Газотермическое напыление композиционных порошков / А .Я. Кулик и др. Л.: Машиностроение, 1985. - 197 с.

16. Фармаковский, Б.В. Исследование процесса нанесения покрытий из разнородных материалов на металлические подложки методом ХГДН /Б.В. Фармаковский, Д.В. Джуринский / Вопросы матер-ия. -2003. № 34. - С. 22-26.

17. Wielage, В. Influence of thermal spraying method on the properties of tungsten carbide coatings/ B. Wielage et al. 2004. - материалы сайта http://welding.svarak.ez/c/. Дата обращения 14.04.2010.

18. Хасуи, А. Техника напыления.- М.: Машиностроение. 1978. - 288 с.

19. Hotea, V. Thermal spray coatings for modern thechnological applications/ V. , Hotea et al. Fascicle of Management and Technological Engineering. - Vol. 17. -№7.-2008.-p. 1486-1492.

20. Кудинов, B.B. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий / Кудинов В.В., Иванов В.М. Москва: Машиностроение, 1981 - 191 стр.

21. Brinkiene К. Structural and Surface, Analysis of Plasma Processed Zirconia Coatings// K. Brinkiene et a./Materials science. №12(4).,- 2006. - p. 300-304.

22. Pershin, L. Deposition of YSZ Coatings by a High Efficiency DC Plasma Torch/ L. Pershin, L. Chen, J. Mostaghimi/, Surface Modification Technologies. -2007.-Vol. 21.-p. 1-8.

23. Vend, A. Microstructures and tribological properties of ferrous coatings deposited by APS (Atmospheric Plasma Spraying) on Al-alloy substrate / A. Vend, M. Mrdak, I. Cvijovic/ FME Transactions. 2006. - Vol. 24. - p. 151-157.

24. Teixeira, V. Failure of Physical Vapor Deposition/Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings during Thermal' Cycling / V. Teixeira et al. Journal of Thermal Spray Technology. - 2000. - Vol. 9. - №2. - p. 191-197.

25. Kersten, H. Plasma-powder interaction: trends in applications and diagnostics/H. Kersten, et al. International Journal of Mass Spectrometry. - 2003. -№223-224.-p. 313-325.

26. Smyth, R.T. Production of resistors by arc plasma spraying /R.T. Smyth, J.C. Anderson/Electrocomponent Science and Technology. 1975. - Vol. 2. - p. 135-145

27. Решетняк, E.H. Синтез упрочняющих наноструктурных покрытий /E.H. Решетняк, В.Е. Стрельницкий/ Вопросы атомной науки и техники. 2008. - №2. -с. 119-130.

28. Григорьев, М.В. Влияние добавок ультрадисперсного AI2O3 на физико-механические свойства корундовой керамики / М. В. Григорьев, Е. И. Степанов, В. И. Кирко/Журнал НГУ. -2008. -№1. с. 162-167.

29. Нанокристаллические структуры — новое направление развития конструкционных материалов / Н.П. Лякишев. Вестник РАН. - 2003. - Т. 73. -№ 5. - с. 422.

30. Rawers, J. Reproducibility of the Synthesis and Processing of Nanostructured Material Properties / J. Rawers, R. Krabbe/ Journal of Materials Synthesis and Processing. 1998.-Vol. 6.-№2.-p. 133-146.

31. Кормильцын, О.П. Механика материалов и структрур нано- и микротехники: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / О.П. Кормильцын, Ю.А. Шукейло. -М.: Изд. центр «Академия». 2008. — 224 с.

32. Мошков, В.Ю. Закономерности формирования, особенности структуры и свойства сверхтвердых нанокомпозитных покрытий : автореф. дис. канд. ф.-м. наук : защищена 10.10.2009 / Б.Ю,. Мошков. Томск: Изд-во Томского Государственного-университета. -2009. - 19 с.

33. Li, Chang-Jiu. Formation of nanostructured Ti02 by flame spraying with liquid feedstock / Chang-Jiu Li, Guan-Jun Yang, Ze Wang/ Materials Letters. 2003. -Vol. 57.-p. 2130-2134.

34. Vardelle, A. Modeling time-dependent phenomena in plasma spraying of liquid precursors / A. Vardelle, C. Chazelas, C. Marchand, G. Mariaux/ Pure Applied Chemistry. 2008. - Vol. 80. - No. 9. - p. 1981-1991.

35. Guilemany, J.M. Study of the Properties of WC-Co Nanostructured Coatings Sprayed by High-Velocity Oxyfuel. / J.M. Guilemany, S. Dosta, J. Nin, J.R. Miguel/ Journal of Thermal Spray Technology. 2005. - Vol. 14. - №3. - p. 405-412.

36. Gang, Jr. Nanostructures in thermal spray coatings / Ji Gang, J.-P. Morniroli, T. Grosdidier/ Scripta Materialia;. 2003. - Vol: 48/. - p. 1599-1604.

37. Материалы интернет-ресурса www.observatorynano.eu. Дата обращения 10.11.2009.

38. ГОСТ 28377-89. Порошки для газотермического напыления и наплавки. Технические требования. Введ. 01.01.1991. М. : ФГУП «Стандартинформ», 2005. - 8 с. : ил.; 29 см.

39. Ничипоренко, О.С. Распыленные металлические порошки. / О.С. Ничипоренко. Киев: Наукова думка. - 1980. - 240 с.

40. Металлические порошки и порошковые материалы. Справочник / под ред. Левинского Ю.В. -М.: Экомет. 2005. - 520 с.

41. Sun J. Characterizations of ball-milled nanocrystalline WC-Co composite powders and subsequently rapid hot pressing sintered cermets/ J. Sun, F. Zhang, J. Shen./ Materials Letters. 2003. - Vol. 57. - p. 3140-3148.

42. Gang, Ji. Nanostructures in thermal spray coatings / Ji Gang, J.-P. Morniroli, T. Grosdidier/ Scripta Materialia,. 2003. - Vol. 48/. - p. 1599-1604.

43. Мэтьюз, Ф. Композитные материалы. Механика и технология» / Мэтьюз, Ф., Ролингс, Р. -М.: Техносфера, 2004 426 с.

44. Preparation and examinationtof nanostructured steel powders / C. Baiazsi et al. —Annals-of the Oradea university. 2010. —Volt 9: - p. 16-23.

45. Денисова,. H.E. Трпбогехническое материаловедение и триботехнология: учеб: пособие для студ.выснг. учеб:.заведений / Н:Е.Денисова1и:др. Пенза:. Изд-во Пенз:.гос: ун-та,;2006; - 248 с:/

46. Guterres-. S.S. Spray-drying technique'to? prepare- innovative; nanoparticulated formulations fordrug administration: a^brief overview/ S.S; Guterres, Rl C. R: Beck, A. R. Pohlmann/ BraziliamJoumal of Physics. -,2009f Vol: 390 A):.- p. 205-209

47. Hockey, BLPropeIties^oflNanostшcШredlHydroxyapatite:Preparëdíby avSpray Drying: Technique* /В. I Iockey, L.G. Chow; L. Sun/ Journal of Research: of the National institute of Standards and Technology. 2004. -- Vol. 109. -.M- 6:,- p. 543551. . ' .

48. Николюкин, 11.Б. Использование гранулирования для формирования требуемой структуры катализатора синтеза углеродных наноматериалов / Н.Б. Николюкин, В.Ф; Першин, А.Г. Ткачев/ Вестник ТГТУ. 2008. - Том 14. - № 2. -С. 342-345. .

49. Singh, Н. Studies-of plasma spray coatings on a Fe-base superalloy, their structure and high temperature-oxidation behavior/H. Singh, D. Puri, S. Prakash/ Anti-Gorrosion Methods and Materials. 2005. - Vol. 52. - №2. - p.84-95.

50. ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки. Технические требования; Введ. 01.01.1975. М. : ФГУП «Стандартинформ». - 1989. -30 с. : ил.; 29 см.

51. Jia, К. Abrasion resistance of nanostructured and conventional cemented carbides / K. Jia, Т.Е. Fischer / Wear;.- 1996.- Vol. 200. p. 206-214.

52. Тенебаум, MiMi Износостойкость, конструкционных материалов! и деталей машин/ М:М. Тенебаум. М.: Машиностроение: - 1966. -332 с.69.: Пархоменко? В:Д: Низкотемпературная плазма / В.Д. Пархоменко; Ю.Д. Третьяков. Новосибирск: Наука, 1991. - 357 стр.

53. Энгельшт, В.С.Теория столба электрической дуги / B.C. Энгельшт, Б.А. Урюков Новосибирск: Наука, 1990. - 297 стр.