Сплав на основе квазикристалла системы al-cu-fe для нанесения износостойкого, наноструктурного покрытия

Сплав на основе квазикристалла системы al-cu-fe для нанесения износостойкого, наноструктурного покрытия

Реферат

Изобретение относится к прецизионной металлургии износостойких сплавов для получения функциональных покрытий, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

Известны сплавы с высокой износостойкостью на основе железа (патенты РФ №2359056; №2332509; №2337178), меди (патент РФ №2349621) и алюминия (патент РФ №2262554).

Указанные сплавы имеют ограниченный диапазон применения, особенно в условиях интенсивного динамического износа, повышенных температур и воздействия агрессивных химических реагентов.

Поэтому в последнее время ведутся интенсивные исследования и разработки по созданию материалов в неравновесном и сверхнеравновесном состояниях (квазикристаллы, аморфные материалы).

Наиболее близким к заявляемому и взятым нами за прототип является сплав для получения износостойких электропроводящих покрытий на основе меди с армирующими наночастицами квазикристаллического соединения системы Al-Cu-Fe [1].

Проведенные экспериментальные работы при получении покрытия на основе этого сплава выявили следующие два недостатка: недостаточная пластичность и ограниченный диапазон микротвердости.

Следует особо отметить, что микротвердость является основным показателем износостойкости; она может быть оперативно определена для любого материала. Практика эксплуатации износостойких сплавов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, показывает, что необходимо иметь микротвердость материала не ниже 400-500 HV. Лучшие показатели квазикристаллов обеспечивают микротвердость не более 190 HV.

Техническим результатом изобретения является получение высокой износостойкости за счет повышения микротвердости материала наряду с повышением адгезионной и когезионной прочности наносимых покрытий.

Технический результат достигается за счет того, что сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe дополнительно содержит медь в виде самостоятельной фазы и карбид вольфрама. Гомогенное распределение карбида вольфрама в квазикристаллической матрице обеспечивает увеличение микротвердости до 400-500 HV.

Оптимальным по достигнутому эффекту является сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	2-5
карбид вольфрама	20-40
квазикристалл системы Al-Cu-Fe	остальное

В качестве основы выбран известный квазикристалл системы Al-Cu-Fe со следующим соотношением компонентов, мас.%: алюминий 65, медь 21,5-23,5, железо 11-13,5. Эти составы обеспечивают устойчивое существование квазикристаллической фазы при нанесении покрытий и в ходе дальнейшей эксплуатации [2].

Медь выступает в качестве пластификатора при напылении покрытий. Экспериментально установлено, что содержание меди в сплаве менее 2% не дает нужного эффекта, а более 5% приводит к уменьшению твердости.

Карбид вольфрама выбран потому, что он легко когерентно связывается с квазикристаллической матрицей. Содержание в сплаве менее 20% карбида вольфрама не приводит к существенному увеличению твердости, а при содержании более 40% сплав становится хрупким и не пригодным для нанесения с квазикристаллической матрицей.

Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей схеме: выплавка исходного сплава методом прямого сплавления компонентов; дробление полученного слитка; нанесение покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН)

Выплавка сплава производилась в высокочастотном индукторе установки типа Л3-13 мощностью 10 кВт с рабочей частотой 880 кГц в алундовых тиглях №3 и №4 при следующей последовательности введения шихтовых компонентов: квазикристалл Al-Cu-Fe → медь → карбид вольфрама. Масса получаемых слитков 0,7-0,8 кг.

Дробление полученного слитка производилось последовательно на щековой дробилке типа «Пульверизетте 1» до фракции 3-5 мм, а затем на дезинтеграторной установке типа ДЕЗИ-15 до фракции 20-100 мкм в соответствии с руководящей документацией.

Нанесение функциональных покрытий из полученного таким образом порошка производилось методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН) на установке типа ДИМЕТ-3 в соответствии с руководящей документацией. Температура гетерофазного потока при напылении не превышала 130°С при скоростях частиц 660-825 м/с, что обеспечивает сохранение наноструктурного состояния покрытия и практического отсутствия пористости.

В качестве подложек использовалась медь, никель и сплав Х15Ю5. Толщина получаемого покрытия составляет 18-20 мкм, что обеспечивает требуемые потребительские свойства.

Исследование микротвердости полученных покрытий проводилось по методу Виккерса при помощи автоматического микротвердомера AFFRI DM-8.

Результаты исследования представлены в табл.1.

Как следует из таблицы 1, предлагаемый сплав имеет более высокую микротвердость по сравнению с известным, что обеспечивает получение износостойких покрытий.

Источники информации

1. Патент России №2362839, кл. С23С 24/04, В82В 3/00, 2009 г.

2. Патент России №2244761, кл. С22С 1/04, 21/12, 2005 г.

Таблица 1
Сравнение свойств предлагаемого сплава и прототипа
Сплав	№ плавки	Химический состав, мас.%	Микротвердость, HV	Примечания
медь	карбид вольфрама	квазикристалл Al-Cu-Fe
Прототип		90	-	10	60	Низкая коррозионная стойкость покрытия
50	-	50	200
40		60	180
Предлагаемый	1	2	20	78	400	Высокие технологические свойства материала
2	3,5	30	66,5	500
3	5	40	55	450
Сплав с составом за пределами предложенных значений	4	1,9	19	79,1	-	Сплошного покрытия получить не удалось
5	5,1	40,1	54,8	370

Сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe для нанесения износостойкого, наноструктурного покрытия, характеризующийся тем, что он содержит медь в виде самостоятельной фазы и карбид вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	2-5
карбид вольфрама	20-40
квазикристалл системы Al-Cu-Fe	остальное,

причем квазикристалл системы Al-Cu-Fe имеет следующий состав, мас.%: алюминий 65, медь 21,5-23,5, железо 11-13,5.