Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ОКСИДА ИТТРИЯ НА СИЛУМИН

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов электровзрывным напылением, в частности к поверхностному упрочнению силумина системой Y₂O₃-Al и может быть использовано при нанесении предлагаемым способом покрытий на детали и изделия, подверженные износу.

Известен способ электровзрывного напыления композиционных износостойких покрытий системы TiC-Mo на поверхности трения. Данный способ заключается в размещении порошковой навески из карбида титана между двумя слоями молибденовой фольги и осуществление электрического взрыва фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, которая оплавляет поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м². Напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи происходит с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден (RU №2518037 МПК С24С 4/10, опубл. 10.06.2014).

Недостатком известного способа является высокая шероховатость напыленных покрытий, а также низкая степень гомогенизации структуры, выраженная в неоднородности фазового и элементного состава покрытий. Это ограничивает возможность практического применения изделий с такими покрытиями. После электровзрывного напыления на поверхности покрытий неравномерно распределены многочисленные деформированные закристаллизовавшиеся микрокапли молибдена. Это может стать причиной быстрого износа покрытия (Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е. Электровзрывное напыление электроэрозионностойких покрытий: формирование структуры, фазового состава и свойств электроэрозионностойких покрытий методом электровзрывного напыления. - Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. - 170 c.

Электровзрывное напыление износо- и электроэрозионностойких покрытий / Д.А. Романов, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов. - Новокузнецк: Изд-во ООО «Полиграфист», 2014. - 203 с.).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ электровзрывного нанесения металлических покрытий на алюминиевые контактные поверхности, включающий формирование импульсной многофазной плазменной струи продуктов электрического взрыва проводников и воздействие ею на контактную поверхность. Воздействие на контактную поверхность осуществляют в вакууме, при нагреве поверхности до температуры плавления материала, с формированием на ней рельефа покрытия и при пороговом значении удельного потока энергии плазменной струи q, определяемом по соотношению:

где Т - температура плавления металла; χ и λ - средние значения температуро - и теплопроводности металла в интервале температур от комнатной до температуры плавления; τ - время импульса (RU №2422555 МПК С23С 4/12, опубл. 27.06.2011).

Недостатком прототипа является формирование покрытий при пороговом значении удельного потока энергии, когда напыляемая поверхность нагревается до температуры плавления. В этом случае покрытие имеет адгезионную связь с основой. При напылении покрытий с оплавлением поверхности образуется промежуточный слой взаимного смешивания материалов покрытия и основы, в результате чего покрытие имеет более прочную адгезионно-когезионную связь с основой. Кроме того прототип предполагает нанесение покрытий с высокой электропроводностью, например медных покрытий на алюминиевые контактные поверхности. Однако в ряде случаев необходимо формирование покрытий, обладающих другими высокими функциональными свойствами, например износостойкостью.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в получении композиционных покрытий алюминий - оксид иттрия, обладающих высокой микротвердостью и износостойкостью.

Решение проблемы реализуется способом нанесения износостойких покрытий на основе алюминия и оксида иттрия на силумин, включающем электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской алюминиевой оболочки массой 60-150 мг и сердечника в виде порошка оксида иттрия массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности силумина при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,0 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы Y₂O₃-Al.

Технический результат при использовании заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании поверхностного слоя с высокими микротвердостью и износостойкостью, что позволяет использовать полученные данным способом материалы в деталях, подверженных износу.

Способ поясняется представленной на фиг. 1 структурой поперечного сечения поверхностного слоя электровзрывного композиционного покрытия системы Y₂O₃-Al, полученной методом сканирующей электронной микроскопии, представленным на фиг. 2 графиком зависимости величины коэффициента трения от расстояния, пройденного контртелом вдоль дорожки трения при испытаниях на износостойкость силумина в литом состоянии и представленным на фиг. 3 графиком - силумин после электровзрывного легирования.

На фиг. 1 указаны области структуры, где 1 - слой покрытия, 2 - область смешивания, 3 - подложка из силумина.

Установлено, что в результате высокоскоростного охлаждения модифицированного слоя, имеющего место при электровзрывном напылении, в поверхностном слое формируется структура ячеистой кристаллизации алюминия. Размер ячеек кристаллизации изменяется в пределах (200-450) нм. По границам ячеек располагаются прослойки второй фазы. Методами микрорентгеноспектрального анализа установлено, что прослойки сформированы атомами кремния и иттрия.

Исследования морфологии и фазового строения поверхности силумина, модифицированного системой Y₂O₃-Al показали, что в целом модифицированная поверхность является низкопористой с однородным содержанием легирующих элементов. Основными элементами модифицированной поверхности являются алюминий, иттрий и титан. Структура модифицированного слоя содержит наноразмерные элементы.

Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5-5,0 ГВт/м², установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,5 ГВт/м² не происходит образование рельефа между покрытием и подложкой из силумина, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а выше 5,0 ГВт/м² происходит формирование развитого рельефа поверхности напыляемого покрытия. При значении массы алюминиевой фольги менее 60 мг становится невозможным изготовление из нее композиционного электрически взрываемого проводника. При значении массы алюминиевой фольги более 150 мг получаемое на силумине покрытие, обладает большим количеством дефектов. При значении массы сердечника, состоящего из порошка оксида иттрия массой менее 0,5 или более 2,0 массы оболочки, покрытие с композиционной наполненной структурой на поверхностях силумина также обладает дефектной структурой.

Трибологические свойства модифицированного силумина характеризовали коэффициентом износа и коэффициентом трения (прибор TRIBOtester). Коэффициент трения измеряется как инерционный момент, возникающий между исследуемыми материалами. Анализ результатов, показывает, что износостойкость исследуемого материала после электровзрывного напыления увеличилась, по сравнению с износостойкостью исходного силумина, более чем в 28 раз; коэффициент трения снизился более чем в 2 раза (фиг. 2, 3).

Микротвердость измеряли на микротвердомере HVS-1000A. Среднее значение микротвердости покрытий по всем режимам обработки равно 1010 МПа. Исходный силумин имеет значение 530 МПа, следовательно, обработка силумина с помощью электровзрывного напыления увеличивает микротвердость в ≈2 раза, по сравнению с начальным значением.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1.

Обработке подвергали образец из силумина АК10М2Н размером 20×20×10 мм³. Был использован композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки в виде алюминиевой фольги массой 60 мг, и сердечника из порошка оксида иттрия массой 30 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность силумина при поглощаемой плотности мощности 5,0 ГВт/м² и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы Y₂O₃-Al.

Полученное покрытие имеет значение микротвердости 1265±68,7 МПа, с толщиной слоя напыления 48,11±17,15 мкм.

Пример 2.

Обработке подвергали образец из силумина АК10М2Н размером 20×20×10 мм³. Был использован композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки в виде алюминиевой фольги массой 150 мг, и сердечника из порошка оксида иттрия массой 300 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность силумина при поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м² и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы Y₂O₃-Al.

Полученное покрытие имеет значение микротвердости 1510±88,3 МПа, с толщиной слоя напыления 37,03±10,58 мкм.

Таким образом, электровзрывное легирование силумина эвтектического состава частицами порошка оксида иттрия сопровождается формированием поверхностного слоя, механические (микротвердость) и трибологические (износостойкость и коэффициент трения) свойства которого многократно превышают соответствующие характеристики силумина в литом состоянии. Способ может быть использован в авиа- и автомобилестроении, при получении износостойких покрытий на деталях из силумина, а также в качестве конструкционных материалов, например, поршней двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.