способ электровзрывного напыления композитных покрытий системы, tib2-cu на медные контактные поверхности
Классы МПК: | C23C14/32 с использованием взрыва; испарением и последовательной ионизацией паров C23C14/14 металлический материал, бор или кремний |
Автор(ы): | Романов Денис Анатольевич (RU), Будовских Евгений Александрович (RU), Ващук Екатерина Степановна (RU), Громов Виктор Евгеньевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-02-13 публикация патента:
10.08.2013 |
Способ предназначен для электровзрывного напыления покрытия системы TiB2-Cu на медных контактных поверхностях. Внутри двухслойной фольги из меди размещают порошковую навеску из диборида титана. Осуществляют электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи. Оплавляют медную контактную поверхность при значении поглощаемой плотности мощности 4,5 5,0 ГВт/м2 и насыщают оплавленный слой компонентами плазменной струи. Затем выполняют самозакалку и формирование композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь. В результате получают беспористое обладающее высокой электроэрозионной стойкостью и высокой адгезией покрытие с основой на уровне когезии. 4 ил., 2 пр.
Формула изобретения
Способ электровзрывного напыления композитных покрытий системы TiB2-Cu на медные контактные поверхности, включающий размещение внутри двухслойной фольги из меди порошковой навески из диборида титана, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею медной контактной поверхности при значении поглощаемой плотности мощности 4,5-5,0 ГВт/м2 и насыщение оплавленного слоя компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности, к технологии импульсного электровзрывного нанесения беспористых композитных покрытий системы TiB2-Cu с применением в качестве взрываемого проводника композиционного электрически взрываемого материала, представляющего собой двухслойную медную фольгу с заключенной в ней порошковой навеской диборида титана, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой электроэрозионной стойкостью.
Известен способ [1] нанесения псевдосплавного молибден-медного покрытия на медную контактную поверхность, обладающего высокой электроэрозионной стойкостью. Способ заключается в использовании концентрированных потоков энергии для испарения исходных материалов молибдена и меди и конденсацию их на контактную поверхность, в качестве исходных материалов используют тонкие фольги молибдена и меди, испарение осуществляют при последовательном пропускании по ним электрического тока, вызывающего электрический взрыв сначала молибденовой, а затем медной фольги, конденсацию продуктов взрыва на контактную поверхность осуществляют при значении поглощаемой плотности мощности 6,0 7,6 и 7,6 10,0 ГВт/м2 соответственно.
Недостатком способа является недостаточная для ряда применений дугостойкость покрытий, при этом наиболее перспективной альтернативой электроэрозионностойким молибден-медным композиционным покрытиям являются нанокристаллические покрытия Системы TiB2-Cu [2].
Наиболее близким к заявляемому является способ [3] газотермического напыления композиционного покрытия системы TiB2-Cu. Способ заключается в напылении смеси порошков системы TiB2-Cu с размерами частиц 1 50 мкм, которые разгоняют потоком воздуха при давлении 1,6 МПа и температуре 400°С до скоростей 450 580 м/с, при этом температура частиц и подложки не превышает 200°С.
Недостатком использования титан-бор-медных покрытий на контактах, получаемых этим способом, является их пористость, поскольку поры снижают электрическую проводимость покрытия.
Задачей заявляемого изобретения является получение беспористого композитного покрытия системы TiB 2-Cu на контактных поверхностях, обладающего высокой электроэрозионной стойкостью и адгезией покрытия с основой на уровне когезии.
Поставленная задача реализуется способом электровзрывного напыления композитных покрытий системы TiB2-Cu на медные контактные поверхности. Способ включает размещение внутри двухслойной фольги из меди порошковой навески из диборида титана, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею медной контактной поверхности при значении поглощаемой плотности мощности 4,5 5,0 ГВт/м2 и насыщение оплавленного слоя компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.
Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к структуре, получаемой в прототипе. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что в формируемом покрытии системы TiB2-Cu отсутствует пористость. Покрытие обладает высокой адгезией с основой на уровне когезии. Способ позволяет наносить покрытия на контактные поверхности площадью до 40 см2.
Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения покрытия Системы TiB2-Cu на медные контактные поверхности, на фиг.2 - структура покрытия, на фиг.3 - карта распределения элементов в характеристических лучах меди для фиг.2, на фиг.4 - карта распределения элементов в характеристических лучах титана для фиг.2.
Плазменный ускоритель состоит из коаксиально-торцевой системы токоподводящих электродов - внутреннего электрода 1, внешнего электрода 2, разделенных изолятором 3, и разрядной камеры 4, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумируемую технологическую камеру. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 5 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи.
Продукты взрыва с помощью плазменного ускорителя направляются на контактную поверхность.
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что после обработки медной контактной поверхности плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва двухслойной медной фольги с размещенной в ней порошковой навеской диборида титана в режиме, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5 5,0 ГВт/м2, происходит формирование однородного по глубине слоя композитного покрытия системы TiB2 -Cu, максимальная толщина которого за один импульс обработки составляет 180 190 мкм. Слой имеет когезионно-адгезионную связь с материалом контактной поверхности.
Указанный режим является оптимальным, поскольку при ЭВН меди в режиме, когда поглощаемая плотность мощности ниже 4,5 ГВт/м2 не происходит оплавления поверхности, что приводит к низкой адгезии покрытия и его отслаиванию, а выше - 5,0 ГВт/м2 происходит формирование развитого рельефа поверхности вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва, что ухудшает качество поверхности формируемого покрытия.
Методом рентгеноспектрального микроанализа получены карты распределения элементов меди и титана (фиг.3, фиг.4), которые показывают химическую однородность сформированных покрытий. Распределение бора данным способом не выявляется. Рентгеноструктурные исследования показали, что во всех режимах обработки формируются композитные покрытия, содержащие TiB2 и Cu. Содержание меди в покрытии при использованных режимах обработки не изменяется.
Указанные приемы формирования покрытия системы TiB 2-Cu не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.
Примеры конкретного осуществления способа:
Пример 1
Размещали внутри двухслойной фольги из меди массой 125 мг порошковую навеску из диборида титана массой 125 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею медную контактную поверхность при значении поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м2 и насыщали оплавленный слой компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.
На поверхности контакта командоконтроллера типа ККТ получили покрытие системы TiB2-Cu толщиной 60 мкм с равномерно распределенными частицами диборида титана в медной матрице, содержащее 50 об. % Cu и 50 об. % TiB2, обладающее высокой электроэрозионной стойкостью и когезионно-адгезионную связью с основой.
Пример 2
Размещали внутри двухслойной фольги из меди массой 125 мг порошковую навеску из диборида титана массой 125 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею медную контактную поверхность при значении поглощаемой плотности мощности 5,0 ГВт/м2 и насыщали оплавленный слой компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.
На поверхности контакта командоконтроллера типа ККТ получили покрытие системы TiB2-Cu толщиной 60 мкм с равномерно распределенными частицами диборида титана в медной матрице, содержащее 50 об. % Cu и 50 об. % TiB2, обладающее высокой электроэрозионной стойкостью и когезионно-адгезионную связью с основой.
Источники информации
1. Способ нанесения псевдосплавного молибден-медного покрытия на медную контактную поверхность: пат. 2436863 Рос. Федерация. № 2010107718/02; заявл. 02.03.2010; опубл. 20.12.2011, бюл. № 35. 8 с.
2. Preparation and Electrical Erosion Resistance of TiB2/Cu/ Lomovskii O.I., Maly V.I., Dudina D.V. et al. // Nanocomposites Inorganic Materials. 2006. Vol.42. No.7. P.739-743.
3. Cold spraying of in situ produced Системы TiB2-Cu nanocomposite powders / J.S. Kim, Y.S. Kwon, O.I. Lomovsky et al // Composites Science and Technology. - 2007. - Vol.67. - Issues 11-12. - September. - P.2292-2296.
Класс C23C14/32 с использованием взрыва; испарением и последовательной ионизацией паров
Класс C23C14/14 металлический материал, бор или кремний