способ получения покрытий

Формула изобретения

1. Способ получения покрытий, включающий напыление на основу плазменной струей покрытия или подслоя и покрытия и использование в качестве покрытия или подслоя сплава, содержащего основной компонент основы или основы и покрытия, в количестве, меньшем, чем необходимо для образования эвтектики, и второй компонент, образующий эвтектику с основным компонентом в результате контактного плавления, при этом компоненты сплава подбирают с возможностью образования ими не менее двух эвтектик, одной более легкоплавкой и эвтектики с температурой плавления, большей, чем у первой, при большем содержании второго компонента, и не менее одного устойчивого химического соединения, в котором концентрация компонентов занимает промежуточное положение между концентрациями компонентов в этих эвтектиках и с концентрацией компонентов, занимающей промежуточное положение между химическим соединением и эвтектикой с большей температурой плавления, и термическую обработку в диапазоне температур выше температуры плавления более легкоплавкой эвтектики и ниже температуры плавления другой эвтектики для образования и плавления эвтектики в зонах контакта основа-покрытие или основа-подслой и подслой-покрытие.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку проводят после нанесения покрытия плазменной струей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения покрытий и может быть использовано при нанесении покрытий, в том числе пористых, морфологически значимых, на изделия медицинской техники.

Известен способ, в котором применяется напыление порошкового материала, содержащего туго- и легкоплавкий компоненты, последний в количестве 20-50 об.%. Температуру покрытия поддерживают выше температуры плавления легкоплавкого и ниже температуры плавления тугоплавкого компонентов. Постоянное присутствие расплава легкоплавкого компонента в объеме покрытия позволяет существенно интенсифицировать физико-химические процессы, протекающие между компонентами покрытия, а также между покрытием и основой [1].

Недостатком этого способа является: неоднородное распределение туго- и легкоплавкого компонентов в покрытии в результате их механического смешивания и разделения при напылении из-за различия в удельном весе порошков, что приводит к неравномерному расплавлению покрытия и, как следствие, к низкому сцеплению его с основой; и адгезионная природа взаимодействия из-за отсутствия подплавления основы.

Известен способ получения покрытий, включающий нанесение подслоя с более низкой, чем материал покрытия, электропроводностью и термообработку до частичного или полного расплавления подслоя, применяя пропускание электрического тока и иные виды нагрева. В качестве подслоя используют металлокерамические композиции, в качестве керамики используются различные оксиды, карбиды, нитриды и др. тугоплавкие соединения, а в качестве металлической составляющей используют материал, применяемый для основного слоя [2].

Недостатком этого способа является невозможность регулирования степени (т.е. толщины) расплавления подслоя вследствие зависимости процесса расплавления от однородности применяемой в качестве подслоя композиции и теплонасыщения изделия. Неравномерное распределение составляющих композиции в напыленном подслое из-за разделения их при напылении в результате различия их удельного веса приводит к неравномерному плавлению подслоя при термообработке и, как следствие, к недостаточной прочности сцепления с основой.

Прототипом изобретения является способ получения защитного покрытия на изделии из жаростойкого жаропрочного сплава, включающий плазменное нанесение покрытий из порошкового сплава и его нагрев и плавление при обработке непрерывным лазерным лучом. Способ обеспечивает высокую прочность соединения [3].

Недостатком способа является невозможность использования способа при нанесении пористых или морфологически значимых покрытий из-за значительного уменьшения пористости покрытия при его расплавлении.

Задача изобретения - получение качественных морфологически значимых покрытий с высокой прочностью сцепления с основой.

Поставленная задача решается следующим образом: в способе получения покрытий, включающем плазменное нанесение покрытий из порошкового сплава, на основу напыляют покрытие или подслой и покрытие и используют в качестве покрытия или подслоя сплав, содержащий основной компонент основы или основы и покрытия, в количестве меньшем, чем необходимо для образования эвтектики, и второй компонент, образующий эвтектику с основным компонентом в результате контактного плавления. Компоненты сплава покрытия или подслоя подбирают с возможностью образования ими не менее двух эвтектик, одной более легкоплавкой и эвтектики с температурой плавления большей, чем у первой, при большем содержании второго компонента, и не менее одного устойчивого химического соединения, в котором концентрация компонентов занимает промежуточное положение между концентрациями компонентов в этих эвтектиках. Сплав покрытия или подслоя подбирают с концентрацией компонентов, занимающей промежуточное положение между химическим соединением и эвтектикой с большей температурой плавления, а термическую обработку ведут в диапазоне температур выше температуры плавления более легкоплавкой эвтектики и ниже температуры плавления другой эвтектики для образования и плавления эвтектики в зонах контакта основа - покрытие или основа - подслой и подслой - покрытие. Причем термическую обработку проводят плазменной струей.

На фиг.1 представлена схематично диаграмма состояния компонентов, образующих две эвтектики и устойчивое химическое соединение между ними.

На фиг.2,а,б приведены фотографии микрошлифов зоны сплавления «основа - покрытие» и «основа - подслой», «подслой - покрытие».

На фиг.3 представлена диаграмма состояния сплава титан - никель.

На фиг.4 схематично изображен образец с частично расплавленным подслоем.

На фиг.5 - образец с полностью расплавленным подслоем.

На фиг.6 приведен график зависимости толщины образующегося слоя жидкой эвтектики от времени термообработки.

Подбор компонентов и их концентраций в сплаве покрытия или подслоя с учетом вышеизложенных условий, проведение термической обработки в диапазоне температур выше температуры плавления одной эвтектики Т_э1 (см. фиг.1) и ниже температуры плавления другой эвтектики Т_э2 создает возможность образования и плавления эвтектики только в зоне контакта основа - покрытие или основа - подслой и подслой - покрытие, что позволяет сохранить исходную пористость и морфологию нанесенного покрытия. Так исходная концентрация компонентов сплава (C₁) подслоя или покрытия находится в области сплавов с более высокой температурой плавления, чем температура термообработки. Поэтому расплавляется лишь та часть подслоя или покрытия, в которой в результате диффузии в них основного компонента (А) достигается концентрация компонентов сплава (С₂) с температурой плавления в указанном диапазоне температур термообработки ( T).

Толщина зоны диффузионного насыщения зависит от времени термической обработки. Поэтому, изменяя время термообработки, можно регулировать толщину расплавления подслоя или покрытия.

Способ позволяет регулировать не только толщину контактной области, но и структуру зоны соединения и повышает прочность сцепления покрытия с основой, не изменяя структуры и свойств покрытия.

Образование жидкой эвтектики в зоне контакта позволяет существенно интенсифицировать физико-химические процессы, протекающие между основой и покрытием или основой, подслоем и покрытием.

Пример 1. На фиг.2а приведена фотография зоны сплавления «основа - покрытие», полученной следующим образом: материал основы титан марки ВТ1-00, материал покрытия порошок никелида титана, содержащий титана 45 об. % C_п1 (см. фиг.3). Подготовка под напыление - промывка, обезжиривание, пескоструйная обработка. Методом плазменного напыления наносится покрытие при следующих технологических режимах: дисперсность порошка - 63-100 мкм, ток дуги - 280 А, дистанция напыления - 100 мм, толщина покрытия 70 мкм. Это позволяет получить покрытие с развитой шероховатой поверхностью и пористостью 40-50% за счет того, что покрытие образуется из отдельных частиц различного размера, с различной степенью проплавления, кинетической энергией, при этом покрытие имеет открытую пористость. Последовательно попадая друг на друга, деформируясь и застывая, частицы образуют покрытие с развитой шероховатой поверхностью. Под шероховатостью поверхности понимают совокупность неровностей поверхности с относительно малым шагом [4].

Затем проводят термическую обработку образцов в печи, в среде аргона в диапазоне температур T: 950-1110°С. Нижний предел диапазона температур соответствует температуре плавления более легкоплавкой эвтектики, равной 950°С, а верхний - температуре плавления другой эвтектики, равной 1110°С (см. фиг.3). При термообработке происходит диффузия титана из основы в покрытие, а из него - никеля в основу. В области контакта «основа - покрытие», где концентрация компонентов достигает эвтектического состава С_п2, образуется эвтектика и происходит ее расплавление.

Согласно диаграмме состояния (см. фиг.3) для рассматриваемого случая можно также брать сплав с содержанием титана 39-49%.

Пример 2. Для получения пористого, с развитой морфологией и высокой прочностью сцепления с основой покрытия из того же материала, что и основа, возможно нанесение подслоя из порошка сплава, например, состава: титан - никель, с содержанием титана 39-49 %.

На фиг.2,б приведена фотография зоны сплавления «основа - подслой» и «подслой - покрытие», полученной следующим образом: подготовка под напыление - помывка, обезжиривание, пескоструйная обработка. На основу 3 из титана марки ВТ1-00 с содержанием титана С_{т осн} (см. фиг.4) методом плазменного напыления наносится подслой 4 порошка никелида титана, содержащий титана 45 об.% C_п1 (см. фиг.3). После чего так же методом плазменного напыления наносится покрытие 1 порошка титана марки ПТС с содержанием титана С_{т покр} (см. фиг.4).

Затем проводят термическую обработку образцов плазменной струей в диапазоне температур Т: 950-1110°С (см. фиг.3).

При термообработке происходит диффузия титана из основы и покрытия в подслой, а из него никеля в основу и покрытие. В областях 2, где концентрация компонентов (титана С_т и никеля) достигает эвтектического состава С_эвт, образуется эвтектика и происходит ее расплавление (фиг.4). Этот процесс может идти по мере диффузии титана в подслой до достижения всем подслоем эвтектического состава С_п2 (фиг.3) и расплавления эвтектики (фиг.5).

При прекращении термообработки происходит кристаллизация расплавленной эвтектики.

Зависимость толщины образующегося слоя жидкой эвтектики от времени термической обработки представлена на фиг.6. Можно контролировать толщину контактной области соединения «основа - покрытие» и «основа - подслой», «подслой - покрытие», изменяя время термической обработки.

Как видно из фиг 2а, б в контакте «основа - покрытие» и «основа - подслой», «подслой - покрытие» происходит сплавление, повышающее прочность сцепления с сохранением морфологии покрытия.

При условии продолжения термообработки в том же диапазоне температур процесс будет идти следующим образом.

Продолжается диффузия титана в подслой, и диффузия никеля в основу и покрытие. В результате диффузии никеля в основу и покрытие, в приповерхностных объемах, где концентрация компонентов достигнет эвтектического состава, будет образовываться эвтектика и происходить ее плавление. Увеличение количества титана и уменьшение количества никеля приведет к кристаллизации расплава в виде избыточной фазы и механической смеси. Так будет продолжаться до полного исчезновения жидкой фазы.

Способ применим для любых сплавов, компоненты которых образуют не менее двух эвтектик и одного устойчивого химического соединения, концентрация компонентов в котором занимает промежуточное положение между концентрациями компонентов в этих эвтектиках.

Преимущество предлагаемого способа состоит в том, что выбор сплава покрытия или подслоя данного состава и диапазона температур термообработки ведет к постепенному образованию и плавлению эвтектики в зонах «основа - покрытие» или «основа - подслой» и «подслой - покрытие», что позволяет получать морфологически значимые, пористые покрытия с высокой прочностью сцепления с основой.

Как следует из данных, приведенных выше, предлагаемое изобретение обеспечивает значительное повышение прочности сцепления покрытия с основой при небольшом времени термообработки, поэтому возможно рекомендовать использование предлагаемого способа в машиностроении, а также при нанесении покрытий, в том числе пористых, морфологически значимых на изделия медицинской техники.

Использование: в отраслях машиностроения, а также при нанесении покрытий, в том числе пористых, морфологически значимых на изделия медицинской техники.

Источники информации

1. Патент №1618779. Россия. Способ получения композиционных покрытий из порошковых материалов/ Кот В.А., Куприянов И.Л., Севковская Л.И., Верстак А.А., 1991.

2. Патент №2023740. Россия. Способ нанесения покрытий/ Гриц Е.Ф., 1994.

3. Патент №2191218. Россия. Способ получения защитного покрытия на изделии из жаростойкого жаропрочного сплава/ Кузнецов Г.В., Кондрашов Э.К., Головкин Ю.И., Егорова Л.П., 2002.

4. Внутрикостные стоматологические имплантаты. Конструкции, технологии, производство и применение в клинической практике /В.Н.Лясников, А.В.Лепилин и др.; Под ред. В.Н.Лясникова, А.В. Лепилина - Саратов: Сарат. техн. гос. ун-т, 2000. - с.47.