Проблемы машиностроения и надежности машин, 2023, № 1, стр. 86-96

На сегодняшний день существует большое количество способов нанесения функциональных покрытий на металлическую основу, среди которых наиболее распространенными являются газоплазменные и плазменные методы [1–3].

При использовании термических методов возникает вероятность неконтролируемого изменения фазового и химического состава напыляемого материала в высокотемпературном потоке, что может привести к корректировке задаваемых свойств покрытий, к невозможности получения наноструктурных функциональных составляющих в формируемых слоях [4–7], что является негативным фактором.

В настоящей статье для получения функциональных покрытий предложен и выделен прогрессивно развивающийся метод “холодного” газодинамического напыления (ХГДН), который обладает следующими преимуществами: 1) температура частиц напыляемого материала в гетерофазном потоке не превышает 100°С, поэтому не происходит существенных фазовых и структурных превращений; 2) возможность получения покрытий заданной толщины от 50 мкм до нескольких миллиметров.

Методом ХГДН возможно наносить пластичные (металлические) порошковые материалы. Наиболее перспективно метод ХГДН применять для получения алюминиевых покрытий. В частности, такие покрытия заданной толщины от 100 мкм и более, можно использовать как прекурсоры, для формирования защитных керамических покрытий методом микродугового оксидирования [8–10].

Практика показывает, что добавление твердого керамического нанокомпонента в структуру алюминиевого покрытия позволяет существенно повысить его твердость. Поэтому получение наноструктурированных покрытий на основе алюминия с помощью метода ХГДН является весьма перспективным для защиты узлов и деталей машиностроения от механических воздействий [11].

Цель настоящей статьи – разработка практических рекомендаций по получению алюминиевых покрытий методом ХГДН, а также по способам упрочнения алюминиевых покрытий керамическим компонентом с формированием градиентной структуры.

Объект и методика исследований. Для осуществления “холодного” газодинамического напыления металлических и керамических порошков, представленных в статье, была использована установка типа “Димет-403”. На рис. 1 представлена схема работы установки.

При работе установки сжатый воздух (рабочий газ) через регулятор давления подается в камеру омического нагревателя, в которой разогревается до заданной температуры и подается в сверхзвуковое сопло. Одновременно напыляемый порошок из дозатора подается в зону сопла, захватывается проходящим воздухом, и на выходе сверхзвукового сопла формируется высокоскоростная струя смеси горячего воздуха с порошком.

Таким образом, порошок, приобретающий высокую кинетическую энергию, “набегает” на металлическую подложку. Условия взаимодействия этих составляющих определяют механизм закрепления металлической частицы на подложке, уровень адгезионной и когезионной прочности, а также условия наращивания покрытия по толщине.

Скорость частиц в гетерофазном потоке измерялась по методике, описанной в работе [12].

Исследование микротвердости покрытий проводилось на микротвердомере типа ПМТ-3М.

Измерение дисперсности порошковых материалов проводилось на лазерном дифракционном анализаторе “Malvern Mastersizer 2000” и лазерном дифракционном анализаторе наночастиц “Zetasizer Nano”. Определение адгезионной прочности покрытий осуществлялось штифтовым методом на универсальной разрывной машине Instron 1000.

Морфологию покрытий исследовали методами сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа на исследовательском комплексе TTSCAN Vega. Фазовый состав покрытий определяли на рентгеновском дифрактометре D8 Advance фирмы Bruker (Германия) с использованием Cu Kα-излучения в гониометрии Брегга–Брентано, открытую пористость покрытий – на оптическом микроскопе Axio Observer А1m (Carl Zeiss) в сертифицированной программе AxioVision Rel. 4.8.

Результаты исследований. “Холодное” газодинамическое напыление алюминиевых порошков и их композиций на металлической подложке позволяет сформировать функциональные покрытия, которые в том числе можно использовать и как прекурсоры в качестве подслоя для осуществления микродугового оксидирования. Для реализации технологии ХГДН необходимо использовать полезный фракционный состав порошков в диапазоне 10–60 мкм. Практические эксперименты показывают, что легкие металлические частицы диаметром менее 10 мкм не обладают достаточной кинетической энергией для закрепления на твердой поверхности. В то время как тяжелые частицы диаметром более 60 мкм ухудшают прочность сцепления.

Технология ХГДН позволяет варьировать температуру рабочего газа 0–600°С. Если в качестве рабочего газа используется воздушная среда, то можно наблюдать следующую зависимость, а именно изменение его скорости под действием термического расширения (рис. 2).

При холодном напылении алюминиевых (и прочих металлических) порошков рационально использовать технологическую добавку – крупнозернистый корунд. В процессе напыления технологическая добавка повышает когезию формируемого покрытия за счет удаления природной оксидной пленки и прочих примесей с поверхности закрепленных алюминиевых частиц.

Практические результаты экспериментов показывают, что на прочность сцепления формируемых покрытий помимо фракционного состава влияют основные технологические характеристики процесса – температура и давление воздуха (рис. 3). Для напыления в данном случае был использован алюминиевый порошок А-80-13 с технологической корундовой связкой.

Из представленных графиков видно, что повышение давления воздуха при понижении его температуры, приводит к улучшению адгезии формируемых алюминиевых покрытий.

В рамках исследования рассмотрим результаты по ХГДН алюминиевого порошка с технологической добавкой крупнозернистого корунда, и без нее (табл. 1).

Для осуществления напыления порошкового материала газовый поток оснащен регулятором подачи. В табл. 2 представлены результаты определения расхода порошка в зависимости от положения регулятора установки стандарта “Димет”.

Данные в табл. 2 показывают, что расход порошков является индивидуальным параметром, привязанным к конкретному типу порошкового материала и его геометрической форме.

Принимая во внимание тот факт, что при расходе порошка свыше 1 г/с существенным образом повышается его коэффициент использования, рационально ограничить диапазон работы регулятора до указанных значений в диапазоне 3–6.5 у.ед.

Для осуществления эксперимента на плоские подложки из стали марки Ст3 были нанесены ХГДН-дорожки (рис. 4) по следующим технологическим режимам: скорость перемещения газового потока (или сопла) изменялась в диапазоне 10–90 мм/с; путь газового потока (или расстояние между соплом и подложкой) составило 10 мм; скорость газового потока составила 550 мм/с.

На рис. 5 для сравнения приведены профили дорожек напыления в зависимости от скорости перемещения газового потока при сопоставимом расходе алюминиевых порошков двух составов.

Представленные рисунки демонстрируют положительный вклад введения корундовой связки, которая приводит к повышению толщины формируемого покрытия, что оптимизирует технологию ХГДН алюминиевых порошков в части коэффициента использования. Однако из-за различной скорости движения керамических и металлических частиц для соответствующих профилей дорожек наблюдается отклонение от симметричности.

Серия экспериментов позволяет говорить о том, что толщину ХГДН алюминиевых покрытий можно регулировать, используя такие параметры, как: расход порошка; скорость движения или сканирования газового потока; температура среды.

При использовании роботизированного комплекса, на основании анализа ширины профилей дорожек, можно осуществлять смещение шага сканирования, оптимизируя тем самым возможность понижения пористости формируемого покрытия.

В качестве примера варьирования технологического решения по выбору конкретных оптимальных режимов ХГДН алюминиевых покрытий на основе экспериментальных результатов приведены следующие режимы: 1) задаваемая толщина покрытия 500 мкм по первому варианту: исходные порошки АСД-1+электрокорунд; расход дозатора 5 (рис. 1), что соответствует расходу композиционного порошка 0.52 г/с; скорость перемещения газового потока (сопла) 10 мм/с, шаг сканирования 3 мм, количество проходов в один слой; температурный режим 300°С, что соответствует скорости газового потока 550 г/с; расстояние от подложки до сопла – 10 мм; 2) задаваемая толщина покрытия 500 мкм по второму варианту: исходные порошки АСД-1+электрокорунд; расход дозатора 6 (рис. 1), что соответствует расходу композиционного порошка 0.97 г/с; скорость перемещения газового потока (сопла) 30 мм/с, шаг сканирования 2 мм; количество проходов в два слоя; температурный режим 300°С, что соответствует скорости газового потока 550 г/с; расстояние от подложки до сопла – 10 мм.

На следующем этапе работы продемонстрированы результаты по упрочнению алюминиевых покрытий за счет модифицирования ультрадисперсными частицами корунда фракцией 0.1–1.0 мкм с использованием системы раздельных дозаторов с параллельной подачей порошка (рис. 6). Выбор корунда в качестве упрочняющей компоненты дополнительно обоснован тем фактом, что это наиболее нейтральный компонент к алюминию для осуществления финишной обработки покрытия методом микродугового оксидирования.

На первой стадии предварительно вводят в сверхзвуковой поток воздуха армирующие ультрадисперсные частицы Al₂O₃, фракцией 0.1–1.0 мкм из дозатора 1, и проводят обработку поверхности напыляемого изделия до образования ювенильной поверхности, скорость гетерофазного потока составляет 300–400 м/с. На второй стадии, при скоростях гетерофазного потока 400–650 м/с, на ювенильную поверхность напыляемого изделия наносят порошок аллюминия для получения промежуточного слоя из дозатора 2. На третьей стадии проводят нанесение функционально-градиентного покрытия из одновременно работающих дозаторов 1 и 2, при увеличении содержания Al₂O₃ в покрытии от промежуточного слоя к поверхности в пределах 0.1–30 мас. % по линейной зависимости, скорость при этом составляет 400–650 м/с (рис. 7а).

Для понижения пористости формируемого упрочненного покрытия рационально вводить наноразмерные или микроразмерные алюминиевые частицы с использованием третьего параллельно работающего дозатора. Напыление проходит по следующей схеме. На первой стадии дозатором 1 проводится обработка подложки до образования ювенильной поверхности. Затем дозатором 2 и 3 напыляется монослой чистого материала основы при скорости потока 400–650 м/с (рис. 7б).

Фактически предложенный вариант напыления схематично можно представить на рис. 8.

Общий вид формируемого упрочненного металлокерамического покрытия на основе алюминия в поперечном сечении, с использованием элементной тепловой карты (применение EBSD-анализа) представлен на рис. 9а. Можно наблюдать фактически задаваемую градиентную структуру с постепенным повышением содержания керамического компонента от металлической основы к поверхности покрытия. Для идентификации фазового состава керамики приведены результаты рентгенофазового анализа поверхностного слоя покрытия (рис. 9б).

Предлагаемый способ создания функционально-градиентного покрытия обладает признаками научной новизны по следующим двум параметрам: 1) химический и фазовый состав может быть изменен по заданному закону; 2) модифицирование мелкодисперсными частицами приводит к формированию наиболее плотной упаковки.

При использовании в качестве порошка основы материала, соответствующего химическому составу подложки, обеспечивается минимальное изменение коэффициента термического расширения в полученных слоях градиентного покрытия, что обеспечивает высокую адгезионную прочность наносимого дисперсного материала. Полученные результаты сведены в табл. 3.

Полученные покрытия (табл. 3) имеют следующие ключевые параметры оптимизации: высокие (более 70 МПа) показатели адгезионной прочности, высокий уровень твердости по Виккерсу (более 480 МПа) и низкое значение пористости (менее 0.5%). Разработанные функционально-градиентные покрытия могут быть использованы для защиты элементов и узлов машиностроительной техники от износа.

Выводы. 1. Экспериментально показано, что на прочность сцепления алюминиевых покрытий, полученных методом “холодного” газодинамического напыления, влияют следующие параметры: фракционный состав порошков, температура и давление рабочего газового потока. 2. Экспериментально показано, что толщину алюминиевых покрытий, полученных методом “холодного” газодинамического напыления, можно задавать, регулируя следующие параметры: расход порошка, скорость движения или сканирования газового потока, температура среды. 3. Продемонстрированы практические результаты по упрочнению алюминиевых покрытий, полученных методом “холодного” газодинамического напыления, за счет введения в газовый поток мелкодисперсных частиц алюминия (повышение адгезионной прочности и понижение пористости) и оксида алюминия (повышение твердости).