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

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов с помощью комбинированной обработки, включающей в себя электровзрывное напыление и электронно-пучковую обработку, в частности к поверхностному упрочнению силумина системой Y₂O₃-Al и последующей обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками 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 включает в себя размещение порошковой навески из карбида титана между двумя слоями молибденовой фольги, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление плазменной струей поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м² и напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи с последующей самозакалкой и получением композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден (патент RU №2518037, МПК С23С 4/10, С23С 14/32, опубл. 10.06.2014).

Недостатком данного метода являются различные структурные дефекты типа кратеров, наплывов, впадин, пор, микротрещин, образующиеся на поверхности при проведении обработки поверхности. Кроме того, данный вид модификации поверхности сопровождается неравномерным распределением легирующих элементов в процессе их распыления и плавления, а так же кипения и испарения поверхностного слоя обработки. Эти факторы ограничивают практическое использование данной технологии вследствие быстрого износа покрытия.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ обработки поверхностных слоев силумина марки АК12 интенсивным импульсным электронным пучком с энергией электронов 18 кэВ, частотой следования импульсов ƒ=0,3 Гц, длительностью импульса пучка электронов τ=50-150 мкс, плотностью энергии пучка электронов E_S=10-25 Дж/см² и количеством импульсов воздействия n=1-5. Облучение проводится на лицевой поверхности образца, расположенной над надрезом, имитирующим трещину, в среде аргона при остаточном давлении 0,02 Па (патент RU №2666817, МПК C22F 1/043, С22С 21/02, C22F 3/00, опубл. 10.04.2018).

Недостатком данного метода является то, что облучение поверхности силумина высокоинтенсивными импульсными электронными пучками в режиме оплавления включений кремния сопровождается формированием в поверхностном слое микропор и микротрещин, ослабляющих материал. Последнее является определяющим фактором, способствующим лишь незначительному повышению микротвердости и износостойкости.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в формировании композиционного покрытия алюминий - оксид иттрия, подвергнутого дополнительной обработке высокоинтенсивными импульсными электронными пучками, обладающего 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 до 60 мг и сердечника в виде порошка оксида иттрия массой 58-89 мг, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности силумина при поглощаемой плотности мощности 2,6-2,8 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы Y₂O₃-Al с последующим облучением поверхности низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками с плотностью энергии пучка электронов E_S=25-35 Дж/см², энергией электронов 17 кэВ, с длительностью импульса пучка электронов τ=140-160 мкс, количеством импульсов N=3.

Комплексная обработка проводится следующим образом. На первом этапе композитное покрытие Y₂O₃-Al наносится методом электровзрывного легирования. Для повышения интенсивности теплового воздействия на поверхность материала до ее оплавления и обеспечения этим условия напыления применяется торцевая схема взрыва. Технология напыления заключается в следующем: алюминиевая фольга зажималась между коаксиальными электродами, на которые через вакуумный разрядник подавалось регулируемое напряжение. При разряде емкостного накопителя по взрываемому проводнику протекает электрический ток большой плотности, что приводит к его взрыву. Взрывные продукты устремляются в направлении обрабатываемого образца, увлекая за собой частицы порошковой навески, в качестве которой был использован порошок Y₂O₃.

В результате продукты электрического взрыва представляют собой многофазную систему, включающую как плазменный компонент (Al), так и конденсированные частицы различной дисперсности (Y₂O₃), которые осаждаются на поверхность обрабатываемого изделия, образуя при этом многокомпонентное покрытие.

Второй этап обработки заключается в воздействии интенсивным импульсным электронным пучком на получившееся многокомпонентное покрытие.

Технический результат, получаемый при использовании заявляемого способа, заключается в комбинированной обработке поверхности, путем формирования композиционного покрытия алюминий - оксид иттрия, подвергнутого дополнительной обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками, обладающего высокой микротвердостью и износостойкостью, по сравнению с одноступенчатой обработкой.

Предлагаемый способ поясняется представленными изображениями:

На фиг. 1 - Изображение структуры поверхности силумина, подвергнутой комплексной обработке по режиму 1 (режим электровзрывного напыления: масса порошка оксида иттрия 58,9 мг и плотности мощности 2,8 ГВт/м². Режим облучения низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками с плотностью энергии пучка электронов E_S=25 Дж/см², энергией электронов 17 кэВ, с длительностью импульса пучка электронов τ=150 мкс, количеством импульсов N=3). Сканирующая электронная микроскопия.

На фиг. 2 - Изображение структуры поверхности силумина, подвергнутая комплексной обработке по режиму 2 (режим электровзрывного напыления: масса порошка оксида иттрия 88,3 мг и плотности мощности 2,6 ГВт/м². Режим облучения низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками с плотностью энергии пучка электронов E_S=25 Дж/см², энергией электронов 17 кэВ, с длительностью импульса пучка электронов τ=150 мкс, количеством импульсов N=3) Сканирующая электронная микроскопия.

На фиг. 3 - Значения микротвердости на поверхности силумина, полученные на исходном образце и после проведения электровзрывного напыления, электронно-пучковой обработки и комбинированного метода модификации поверхности.

На фиг. 4 - Коэффициент трения и параметр износа k силумина, полученные после проведения электронно-пучковой обработки и комбинированного метода модификации поверхности.

На фиг. 1 (режим электровзрывного напыления масса порошка оксида иттрия 58,9 мг и плотности мощности 2,8 ГВт/м²) стрелки указывают на частицы капельной фракции (фиг. 1В).

Видно, что комплексная обработка образует рельеф поверхности с большим количеством микрократеров (фиг. 1А). Образующийся поверхностный слой разделен на участки размером менее 1 мкм (фиг. 1С). Области имеют поликристаллическую структуру; размер кристалла варьируется от 60 до 100 нм (вставка на фиг. 1С).

На фиг. 2 (режим электровзрывного напыления масса порошка оксида иттрия 88,3 мг и плотности мощности 2,6 ГВт/м²) стрелки указывают на тонкопленочные образования (фиг. 2А) и частицы круглой капельной фракции (фиг. 2В).

Сравнивая результаты, представленные на фиг. 1 и 2, можно сделать вывод, что увеличение массы порошка Y₂O₃ на 50% и уменьшение напряжения разряда на 7%, приводит к значительному уменьшению количества микрократеров на модифицированной поверхности, образуя фрагментарные тонкопленочные включения на поверхности (обозначены стрелками на фиг. 2А) и участки с субмикрокристаллической структурой со средним размером кристаллитов 0,83 м в поверхностном слое (фиг. 2С).

Исследования морфологии и фазового строения поверхности силумина, модифицированного системой Y₂O₃-Al и электронными пучками, показали, что в целом модифицированная поверхность является низкопористой с однородным содержанием легирующих элементов. Структура модифицированного слоя содержит наноразмерные элементы.

Анализ диаграммы изменения микротвердости (фиг. 3) дает основание сказать, что независимо от параметров модификации, увеличение микротвердости составляет 97% (0,71 ГПа). Комплексная обработка, независимо от режима, приводит к увеличению микротвердости в 3,2 раза (2,34 ГПа по сравнению со средним значением 0,73 ГПа в исходном состоянии), что соответствует данным трибологических тестов.

Трибологические свойства модифицированного силумина характеризовали коэффициентом износа и коэффициентом трения. По сравнению с исходным силумином износостойкость увеличивается в 18-20 раз, а коэффициент трения уменьшается в ≈1,5 раза. Сравнивая значения коэффициента трения и износостойкости силумина, облученного интенсивным импульсным электронным пучком, и подвергнутого обработке комплексным методом, можно заметить, что после комплексной модификации износостойкость возрастает в 2,6-2,8 раза, а коэффициент трения уменьшается в ≈1,3 раза (фиг. 4).

Примеры конкретного использования способа.

Пример 1.

Обработке подвергали поверхность силумина марки АК10М2Н. Образцы силумина имели размеры 20×20×10 мм³. Обработка проводилась на поверхности с размерами 20×20 мм². Композитное покрытие Al-Y₂O₃ нанесено методом электровзрывного напыления. Был использован композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из двухслойной плоской алюминиевой оболочки в виде алюминиевой фольги массой 58,9 мг, и сердечника из порошка оксида иттрия массой 58,9 мг. Поверхность оплавляли при зарядном напряжении 2,8 кВ и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы Y₂O₃-Al. В результате продукты электрического взрыва представляли собой многофазную систему, включающую как плазменный компонент (Al) и конденсированные частицы разного размера (Y₂O₃), которые осаждается на поверхности образца, образуя, таким образом, многокомпонентное покрытие. На втором этапе поверхность подвергали обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Поверхность модифицирована по режиму с энергией электронов 17 кэВ, количеством импульсов N=3 имп., с длительностью импульса пучка электронов τ=140-160 мкс, с плотностью энергии пучка электронов E_S=25-35 Дж/см². [Structure and properties changes of Al-Si alloy treated by pulsed electron beam / D.V. Zagulyaev,, S.V. Konovalov, V.E. Gromov, A.M. Glezer, Y.F. Ivanov, R.V. Sundeev // Materials Letters. -2018. - V. 229. - P. 377-380 (Изменения структуры и свойств сплава Al-Si, обработанного импульсным электронным пучком / Д.В. Загуляев, С.В. Коновалов В.Е. Громов A.M. Глезер, Ю.Ф. Иванов, Р.В. Сундеев // Materials Letters. - 2018. - Т. 229. - С. 377-380.)].

Полученное покрытие имеет значение микротвердости 2003 МПа, коэффициента трения μ=0,35 и параметра износа κ=4•10^-4 мм³/Н*м [Microstructure and mechanical properties of doped and electron-beam treated surface of hypereutectic Al-11.1% Si alloy/ D.V. Zagulyaev,, S.V. Konovalov, Y. F. Ivanov, V.E. Gromov, E. Petrikova // Journal of Materials Research and Technology. - 2019. - V. 8, Iss. 5. - P. 3835-3842 Микроструктура и механические свойства поверхности сплава Al-11,1% Si, подвергнутой комплексной модификации/ Д.В. Загуляев, С. В. Коновалов, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Е. Петрикова //. Journal of Materials Research and Technology -2019. - T. 8, вып.5. - С. 3835-3842.].

Пример 2.

Обработке подвергали поверхность силумина марки АК10М2Н. Образцы силумина имели размеры 20 х 20 х 10 мм³. Обработка проводилась на поверхности с размерами 20×20 мм². Композитное покрытие Al-Y₂O₃ нанесено методом электровзрывного напыления. Был использован композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из двухслойной плоской алюминиевой оболочки в виде алюминиевой фольги массой 58,9 мг, и сердечника из порошка оксида иттрия массой 88,3 мг. Поверхность оплавляли при зарядном напряжении 2,6 кВ и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы Y₂O₃-Al. В результате продукты электрического взрыва представляли собой многофазную систему, включающую как плазменный компонент (Al) и конденсированные частицы разного размера (Y₂O₃), которые осаждаются на поверхности образца, образуя, таким образом, многокомпонентное покрытие. На втором этапе поверхность подвергали обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками по режиму с энергией электронов 17 кэВ, количеством импульсов N=3 имп., с длительностью импульса пучка электронов τ=140-160 мкс, с плотностью энергии пучка электронов E_S=25-35 Дж/см². [Structure and properties changes of Al-Si alloy treated by pulsed electron beam / D.V. Zagulyaev,, S.V. Konovalov, V.E. Gromov, A.M. Glezer, Y. F. Ivanov, R.V. Sundeev // Materials Letters. - 2018. - V. 229. - P. 377-380. (Изменения структуры и свойств сплава Al-Si, обработанного импульсным электронным пучком / Д.В. Загуляев, С.В. Коновалов В.Е. Громов A.M. Глезер, Ю.Ф. Иванов, Р.В. Сундеев // Materials Letters. - 2018. - Т. 229. - С. 377-380.)].

Полученное покрытие имеет значение микротвердости 2003 МПа, коэффициента трения μ=0,36 и параметра износа κ=5•10^-4 мм³/Н*м [Microstructure and mechanical properties of doped and electron-beam treated surface of hypereutectic Al-11.1% Si alloy/ D.V. Zagulyaev,, S.V. Konovalov, Y.F. Ivanov, V.E. Gromov, E. Petrikova // Journal of Materials Research and Technology. - 2019. - V. 8, Iss. 5. - P. 3835-3842. (Микроструктура и механические свойства поверхности сплава Al-11,1% Si, подвергнутой комплексной модификации/ Д.В. Загуляев, С.В. Коновалов, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Е. Петрикова // Journal of Materials Research and Technology. - 2019. - T. 8, вып. 5. - С. 3835-3842.)].

Таким образом, комбинированная обработка силумина эвтектического состава частицами порошка оксида иттрия с последующим облучением электронным пучком сопровождается формированием поверхностного слоя, механические (микротвердость) и трибологические (износостойкость и коэффициент трения) свойства которого многократно превышают соответствующие характеристики силумина в литом состоянии и в состоянии после однокомпонентной обработки. Способ может быть использован в автомобильной, авиационной промышленности, в производстве электроаппаратуры и железнодорожного оборудования.