Механохимический способ получения монолитных, композиционных и градиентных покрытий при помощи энергии ударов шаров

(51) 23 С 26/00 (2006.01) С 22 С 1/04 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ поверхность с целью модификации свойств поверхности и направлено на улучшение качества покрытий, на упрощение технологии получения монолитных, композиционных градиентных и наноструктурированных покрытий с использованием энергии ударов шаров, приводимых в движение механическим вибровозбудителем. Металлические или керамические шары и металлический или керамический порошок заданного химического состава помещаются внутрь камеры, которая приводится в вибрационное движение механическим вибровозбудителем. Вибрация камеры передает энергию шарам, которые начинают хаотично летать и соударяться с поверхностью обрабатываемого материала. Под воздействием ударов шаров частицы порошка холодно-диффузионно привариваются к поверхности подложки. В результате на поверхности формируется покрытие или слой композиционного материала заданного химического состава имеющего нано- или микроструктуру.(72) Романьков Сергей ЕвгеньевичВдовиченко Евгений ВалерьевичЕсимбекова Карлыгаш ЕленсизовнаМамаева Аксауле АлиповнаСагдолдина Жулдыз Болаткызы Калошкин Сергей ДмитриевичПустов Леонид ЮрьевичКаевицер Екатерина Владиленовна(54) МЕХАНОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ,КОМПОЗИЦИОННЫХ И ГРАДИЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ПОМОЩИ ЭНЕРГИИ УДАРОВ ШАРОВ(57) Изобретение относится к технологиям нанесения металлических монолитных градиентных или композиционных покрытий на металлическую 21590 Изобретение относится к технологиям нанесения металлических, керамических или композиционных покрытий на металлическую поверхность с целью модификации свойств поверхности и направлено на улучшение качества покрытий, на упрощение технологии получения монолитных,композиционных градиентных и наноструктурированных покрытий с использованием энергии ударов шаров, приводимых в движение механическим вибровозбудителем. Получаемые по предлагаемому способу композиционные покрытия могут быть использованы в различных отраслях промышленности для упрочнения деталей,увеличения их коррозионной стойкости и износостойкости. Известные способы нанесения покрытий, такие как гальваностегия, напыление, химическое и физическое осаждение, имеют ряд ограничений по типам используемых материалов, что связано главным образом с несовместимостью материалов покрытия и матрицы. Например, чрезвычайно трудно нанести тугоплавкое покрытие на поверхность материала, имеющего более низкую температуру плавления. Сложно получать композиционно-градиентные покрытия, в которых в качестве наполнителей используются карбидные,силицидные, оксидные или нитридные фазы с заданным размером частиц и их распределением по толщине. Кроме того, покрытия, полученные химическими или физическими методами, в большинстве случаев имеют слабую адгезию к поверхности подложки. Для получения толстых покрытий химическими или физическими методами требуется длительное время осаждения. Другие недостатки связаны с необходимостью предварительной обработки поверхности перед осаждением поддерживанием определенной температуры, контролем давления и состава газовой атмосферы при нанесении покрытий, что требует использования достаточно дорогостоящего и энергоемкого лазерного, дугового или вакуумного оборудования. Наиболее близким к предлагаемому способу и взятым за прототип является метод нанесения покрытий и армирования металлических поверхностей при помощи ультразвуковых колебаний (Патент 2007-1977617). В данном изобретении предлагается способ, сущность которого состоит в том, что порошкообразный материал для нанесения покрытий вбивается в металлическую поверхность, которая крепится сверху на резонансную камеру при помощи энергии шаров, приводимых в движение высокочастотным ультразвуковым вибратором. Недостатками такого способа являются низкий к.п.д. передачи энергии от преобразователя к шарам, ограничения толщины покрытия размером резонансной камеры и,соответственно,размера обрабатываемой поверхности,необходимость специальной атмосферы для охлаждения ультразвукового преобразователя и специального бокса,необходимость регулярной замены резонансной 2 камеры, сделанной из титана, ограничения по времени работы установки, ультразвуковые потоки,приводящие к неравномерному распределению частиц по поверхности,энергоемкость и себестоимость процесса. Техническая задача предлагаемого способа заключается в разработке простого, экономически более выгодного способа нанесения металлических,керамических или композиционных покрытий на металлическую поверхность, а также в улучшении качества наносимых покрытий. Сущность данного изобретения состоит в том,что металлические или керамические шары(диаметр от 1 до 15 мм) и металлический или керамический порошок заданного химического состава помещаются внутрь камеры, которая приводится в вибрационное движение механическим вибровозбудителем в заданном частотном диапазоне, определяемом составом наносимой смеси и механическими свойствами обрабатываемого материала. Вибрация камеры передает энергию шарам, которые начинают хаотично летать и соударяться с поверхностью обрабатываемого материала. Подложка крепится сверху вибрационной камеры, в случае обработки листового материала (см. фиг. 1 а), или помещается внутрь камеры при обработке мелких образцов (см. фиг. 16). Размер обрабатываемой поверхности зависит от размера камеры. В случае, когда образец помещается внутрь камеры, под действием вибрации он постоянно перемещается и занимает различные положения в рабочей среде и зонах рабочей камеры, что обеспечивает равномерную обработку всей его поверхности. Одновременное воздействие на обрабатываемый материал большого числа микроударов в различных направлениях способствует удержанию его во взвешенном состоянии. Под воздействием ударов шаров частицы порошка холодно-диффузионно свариваются с поверхностью металла. Частицы подвергаются механическому измельчению и многократно повторяющемуся деформированию и уплотнению на поверхности. Интенсивный подвод энергии летающими шарами ускоряет химические реакции и твердофазную диффузию, как в покрытии, так и на границе раздела, что приводит к прочному сцеплению металлической матрицы с частицами, к твердофазным превращениям,образованию интерметаллидов в зависимости от исходного состава порошка. В результате на поверхности формируется покрытие или слой композиционного материала имеющего нано- или микроструктуру,которые характеризуются очень высокой адгезией. Скорость роста покрытия определяется составом наносимой смеси,временем обработки и интенсивностью подвода энергии, последняя в свою очередь зависит от размера и массы шаров, частоты и амплитуды колебаний камеры. Для механохимического синтеза не требуется создание специальной атмосферы,достаточно герметизировать камеру от постоянного потока воздуха. 21590 Технический результат достигается механическим способом нанесения монолитных,композиционных и градиентных покрытий при помощи энергии ударов шаров. Технический результат выражается в следующих эффектах высокий уровень энергии столкновение шаров с поверхностью, хорошая адгезия, увеличение толщины покрытия (200 мкм), а также возможность нанесения покрытий при комнатной температуре и атмосферном давлении за короткий промежуток времени на вибрационных мельницах,широко применяемых в промышленности. К преимуществам предлагаемого способа по сравнению с ранее известными способами следует,прежде всего, отнести упрощенность технологии нанесения, а также отсутствие ограничений при выборе материалов покрытия и подложки. Механохимический метод не требует специальной трудоемкой подготовки поверхности перед нанесением покрытия. За счет изменения состава порошка в процессе осаждения можно сформировать на поверхности как монолитное металлическое или керамическое покрытие, так и металлическое композиционно-градиентное покрытие, состоящее из оксидов, нитридов,карбидов или силицидов, с заданным составом и распределением частиц по толщине. Ниже перечислены примеры покрытий полученных механохимическим способом. 1. Алюминий содержащие покрытия, такие как-, -, , -, - на поверхности алюминиевых, титановых, никелевых и железных сплавов толщиной 150-250 мкм при комнатной температуре и атмосферном давлении после часовой обработки. После обработки 30 мин толщина покрытий составляет 30-50 мкм в зависимости от интенсивности подвода энергии, состава и концентрационного соотношения порошков. Следов кислорода и азота в покрытиях детектором легких элементовобнаружено не было. Контроль герметичности может уменьшить загрязнение для таких легкоокисляемых систем как азоту. Увеличение времени обработки свыше одного часа позволяет получать наноструктурированные покрытия. 2. Композиционные 53, 23,1-123,123, -, , (наноалмаз) и -1 на поверхности алюминиевых, титановых, никелевых и железных сплавов с равномерным распределением наполнителей по толщине, а также композиционноградиентные покрытия,с чередующимися прослойками наполнителей. 3. Алюминиевые сплавы,армированные частицами оксидов, карбидов и нитридов. Под воздействием ударов шаров происходит деформация и течение алюминия. В результате твердые частицы внедряются в матрицу на несколько десятков микрометров при высоких частотах обработки. 4. Твердыепокрытия с размером частиц менее 1 мкм,и / покрытия с размером частиц менее 50 нм и 40 нм, соответственно, на поверхности титана, алюминия и нержавеющей стали. Толщина покрытий составляла 5-20 мкм. Покрытия характеризовались высокой адгезией сравнимой с адгезиейпокрытий используемых в промышленности. 5. Сложно синтезируемые покрытия, такие как- монозайт (4) и гидроксоапатит, на поверхности нержавеющей стали и титана. Толщина покрытий составляла 5-10 мкм. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Механический способ получения металлических монолитных, компазиционных и градиентных покрытий,включающий нанесение порошкообразного материала заданного химического состава при помощи энергии ударов шаров, приводимых в вибрационное движение посредством вибратора, отличающийся тем, что в качестве вибратора используют механический вибровозбудитель и размещением подложки внутри камеры в случае обработки мелких образцов.