СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ, TiB-Cu НА МЕДНЫЕ КОНТАКТНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности, к технологии импульсного электровзрывного нанесения беспористых композитных покрытий системы TiB₂-Cu с применением в качестве взрываемого проводника композиционного электрически взрываемого материала, представляющего собой двухслойную медную фольгу с заключенной в ней порошковой навеской диборида титана, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой электроэрозионной стойкостью.

Известен способ [1] нанесения псевдосплавного молибден-медного покрытия на медную контактную поверхность, обладающего высокой электроэрозионной стойкостью. Способ заключается в использовании концентрированных потоков энергии для испарения исходных материалов молибдена и меди и конденсацию их на контактную поверхность, в качестве исходных материалов используют тонкие фольги молибдена и меди, испарение осуществляют при последовательном пропускании по ним электрического тока, вызывающего электрический взрыв сначала молибденовой, а затем медной фольги, конденсацию продуктов взрыва на контактную поверхность осуществляют при значении поглощаемой плотности мощности 6,0…7,6 и 7,6…10,0 ГВт/м² соответственно.

Недостатком способа является недостаточная для ряда применений дугостойкость покрытий, при этом наиболее перспективной альтернативой электроэрозионностойким молибден-медным композиционным покрытиям являются нанокристаллические покрытия Системы TiB₂-Cu [2].

Наиболее близким к заявляемому является способ [3] газотермического напыления композиционного покрытия системы TiB2-Cu. Способ заключается в напылении смеси порошков системы TiB₂-Cu с размерами частиц 1…50 мкм, которые разгоняют потоком воздуха при давлении 1,6 МПа и температуре 400°С до скоростей 450…580 м/с, при этом температура частиц и подложки не превышает 200°С.

Недостатком использования титан-бор-медных покрытий на контактах, получаемых этим способом, является их пористость, поскольку поры снижают электрическую проводимость покрытия.

Задачей заявляемого изобретения является получение беспористого композитного покрытия системы TiB₂-Cu на контактных поверхностях, обладающего высокой электроэрозионной стойкостью и адгезией покрытия с основой на уровне когезии.

Поставленная задача реализуется способом электровзрывного напыления композитных покрытий системы TiB₂-Cu на медные контактные поверхности. Способ включает размещение внутри двухслойной фольги из меди порошковой навески из диборида титана, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею медной контактной поверхности при значении поглощаемой плотности мощности 4,5…5,0 ГВт/м² и насыщение оплавленного слоя компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.

Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к структуре, получаемой в прототипе. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что в формируемом покрытии системы TiB₂-Cu отсутствует пористость. Покрытие обладает высокой адгезией с основой на уровне когезии. Способ позволяет наносить покрытия на контактные поверхности площадью до 40 см².

Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения покрытия Системы TiB₂-Cu на медные контактные поверхности, на фиг.2 - структура покрытия, на фиг.3 - карта распределения элементов в характеристических лучах меди для фиг.2, на фиг.4 - карта распределения элементов в характеристических лучах титана для фиг.2.

Плазменный ускоритель состоит из коаксиально-торцевой системы токоподводящих электродов - внутреннего электрода 1, внешнего электрода 2, разделенных изолятором 3, и разрядной камеры 4, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумируемую технологическую камеру. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 5 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи.

Продукты взрыва с помощью плазменного ускорителя направляются на контактную поверхность.

Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что после обработки медной контактной поверхности плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва двухслойной медной фольги с размещенной в ней порошковой навеской диборида титана в режиме, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5…5,0 ГВт/м², происходит формирование однородного по глубине слоя композитного покрытия системы TiB₂-Cu, максимальная толщина которого за один импульс обработки составляет 180…190 мкм. Слой имеет когезионно-адгезионную связь с материалом контактной поверхности.

Указанный режим является оптимальным, поскольку при ЭВН меди в режиме, когда поглощаемая плотность мощности ниже 4,5 ГВт/м² не происходит оплавления поверхности, что приводит к низкой адгезии покрытия и его отслаиванию, а выше - 5,0 ГВт/м² происходит формирование развитого рельефа поверхности вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва, что ухудшает качество поверхности формируемого покрытия.

Методом рентгеноспектрального микроанализа получены карты распределения элементов меди и титана (фиг.3, фиг.4), которые показывают химическую однородность сформированных покрытий. Распределение бора данным способом не выявляется. Рентгеноструктурные исследования показали, что во всех режимах обработки формируются композитные покрытия, содержащие TiB₂ и Cu. Содержание меди в покрытии при использованных режимах обработки не изменяется.

Указанные приемы формирования покрытия системы TiB₂-Cu не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1

Размещали внутри двухслойной фольги из меди массой 125 мг порошковую навеску из диборида титана массой 125 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею медную контактную поверхность при значении поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м² и насыщали оплавленный слой компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.

На поверхности контакта командоконтроллера типа ККТ получили покрытие системы TiB₂-Cu толщиной 60 мкм с равномерно распределенными частицами диборида титана в медной матрице, содержащее 50 об. % Cu и 50 об. % TiB₂, обладающее высокой электроэрозионной стойкостью и когезионно-адгезионную связью с основой.

Пример 2

Размещали внутри двухслойной фольги из меди массой 125 мг порошковую навеску из диборида титана массой 125 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею медную контактную поверхность при значении поглощаемой плотности мощности 5,0 ГВт/м² и насыщали оплавленный слой компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.

На поверхности контакта командоконтроллера типа ККТ получили покрытие системы TiB₂-Cu толщиной 60 мкм с равномерно распределенными частицами диборида титана в медной матрице, содержащее 50 об. % Cu и 50 об. % TiB₂, обладающее высокой электроэрозионной стойкостью и когезионно-адгезионную связью с основой.

Источники информации

1. Способ нанесения псевдосплавного молибден-медного покрытия на медную контактную поверхность: пат. 2436863 Рос. Федерация. №2010107718/02; заявл. 02.03.2010; опубл. 20.12.2011, бюл. №35. 8 с.

2. Preparation and Electrical Erosion Resistance of TiB₂/Cu/ Lomovskii O.I., Maly V.I., Dudina D.V. et al. // Nanocomposites Inorganic Materials. 2006. Vol.42. No.7. P.739-743.

3. Cold spraying of in situ produced Системы TiB₂-Cu nanocomposite powders / J.S. Kim, Y.S. Kwon, O.I. Lomovsky et al // Composites Science and Technology. - 2007. - Vol.67. - Issues 11-12. - September. - P.2292-2296.