RU2039124C1

RU2039124C1 - Titanium-base composition powder for plasma spraying coatings

Info

Publication number: RU2039124C1
Authority: RU
Inventors: В.М. Валитова; Д.Д. Афоничев; Э.Ф. Хайретдинов
Original assignee: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Priority date: 1991-08-15
Filing date: 1991-08-15
Publication date: 1995-07-09

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: composition powder has titanium particles cladding with aluminium layer. Cladding layer is prepared from organometallic aluminium compounds. Powder has components at the following ratio, wt.-% aluminium 6-40, and titanium the rest. Particles size powder is 45-120 mcm. Coating obtained by use of powder has indices: microhardness is 30000-35000 MPa; porosity is 2-3% wear resistance is (10-13)·10^-5 g/mm²h, wear resistance at heating to 1000 C is (15-16)·10^-5 g/mm²h. EFFECT: enhanced quality of coating. 1 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к материалам для плазменного напыления защитных и износостойких покрытий. The invention relates to powder metallurgy, in particular to materials for plasma spraying of protective and wear-resistant coatings.

Известен композиционный порошок для плазменного напыления покрытий, который включает в себя частицы алюминия, хрома, молибдена, покрытие слоем никеля. Результаты исследований плазменных покрытий, полученных из указанного порошка, показывают, что пористость покрытия толщиной 0,2 мм достигает 10% а прочность сцепления с основой из стали Ст.3 составляет 25-29 МПа. Known composite powder for plasma spraying of coatings, which includes particles of aluminum, chromium, molybdenum, coating with a layer of nickel. The results of studies of plasma coatings obtained from the specified powder show that the porosity of the coating with a thickness of 0.2 mm reaches 10% and the adhesion strength to the base of steel St.3 is 25-29 MPa.

Наиболее близким техническим решением является композиционный порошок для плазменного напыления, имеющий следующий состав: никель 10-12 мас. остальное титан. Размер частиц порошка 45-100 мкм. The closest technical solution is a composite powder for plasma spraying, having the following composition: nickel 10-12 wt. the rest is titanium. The particle size of the powder is 45-100 microns.

Прочность сцепления покрытия толщиной 0,4 мм, полученного при плазменном напылении порошка Ti-Ni, составляет 30-35 МПа со стальной основой. Твердость покрытия составляет 40 ед. HRC, а микротвердость фазы Ni₃Ti 6900 МПа. Покрытие на основе порошка используется, в основном, в качестве износостойкого покрытия.The adhesion strength of the coating with a thickness of 0.4 mm obtained by plasma spraying of Ti-Ni powder is 30-35 MPa with a steel base. The hardness of the coating is 40 units. HRC, and the microhardness of the Ni ₃ Ti phase is 6900 MPa. Powder-based coating is mainly used as a wear-resistant coating.

Недостатком композиционного порошка является то, что получаемое при его плазменном напылении покрытие обладает пористостью 2-10% имеет низкую твердость и сложный фазовый состав. В покрытии присутствуют сплавы титан-никель, окись титана (TiO₂) и сложные окислы (NiTiO₃). Порошок Ti-Ni используется, в основном, для напыления износостойкого покрытия, работающего в условиях износа без ударных нагрузок. Покрытие обладает низкой теплостойкостью и при нагреве выше 350^оС происходит его интенсивное окисление.The disadvantage of the composite powder is that the coating obtained by plasma spraying has a porosity of 2-10%, has a low hardness and a complex phase composition. The coating contains titanium-nickel alloys, titanium oxide (TiO ₂ ) and complex oxides (NiTiO ₃ ). Ti-Ni powder is mainly used for spraying a wear-resistant coating that works under conditions of wear without shock loads. The coating has a low thermal stability and when heated above 350 ^o C is its intense oxidation.

Цель изобретения повышение качества порошков, повышение износостойкости, микротвердости и теплостойкости покрытия. The purpose of the invention is improving the quality of the powders, increasing the wear resistance, microhardness and heat resistance of the coating.

Для достижения указанной цели предложен композиционный порошок для плазменного напыления покрытий, имеющий следующее соотношение компонентов: алюминий 6-40 мас. титан остальное. Порошок с размером частиц 45-120 мкм представляет собой титан, плакированный алюминием методом термического разложения металлоорганических соединений. To achieve this goal, a composite powder for plasma spraying of coatings is proposed, having the following ratio of components: aluminum 6-40 wt. titanium rest. A powder with a particle size of 45-120 μm is titanium clad with aluminum by thermal decomposition of organometallic compounds.

Покрытие, получаемое при плазменном напылении порошка Ti-Al, имеет прочность сцепления с основой из стали 55-60 МПа при толщине покрытия 0,4 мм, а пористость покрытия не превышает 2-3% Структурный и фазовый анализ покрытия выявил наличие интерметаллидной фазы Ti₃Al. Микротвердость покрытия составляет 30000-35000 МПа. Испытание покрытия на истирание проведено по системе "колодка-диск" при давлении 10 МПа и скорости скольжения 8г м/с. Интенсивность износа равна (10-13) ˙10^-5 г/мм². Интенсивность износа покрытия после нагрева до 1000^оС и выдержке в течение 4 ч составляет (15-16) ˙10^-5 г/мм²ч. Проведено испытание покрытия в производственных условиях на оправках для горячей навивки пружин в условиях нагрева до температуры 800-850^оС. Линейный износ оправок составляет 0,035 мм ч.The coating obtained by plasma spraying of Ti-Al powder has a bonding strength with a base of steel of 55-60 MPa with a coating thickness of 0.4 mm, and the porosity of the coating does not exceed 2-3%. Structural and phase analysis of the coating revealed the presence of an intermetallic phase Ti ₃ Al. The microhardness of the coating is 30000-35000 MPa. The abrasion test of the coating was carried out according to the block-disk system at a pressure of 10 MPa and a sliding speed of 8 g m / s. The wear rate is (10-13) ˙ 10 ^-5 g / mm ² . The wear rate of the coating after heating to ¹⁰⁰⁰ ° C and holding for 4 hours of (15-16) ˙10 ^-5 g / mm ² hr. Swipe test coating under production conditions on the mandrels for winding the hot springs in the conditions of heating to a temperature of 800 850 ° ^C. Linear wear mandrels is 0.035 mm hours.

Существенными отличительными признаками композиционного порошка являются процентное содержание компонентов и сочетание металлов. Алюминий в системе Ti-Al по сравнению с никелем в системе Ti-Ni обладает более высокой реакционной способностью, что обуславливает интенсивное протекание процессов твердофазного взаимодействия с образованием интерметаллидной фазы. The salient features of the composite powder are the percentage of components and the combination of metals. Aluminum in the Ti-Al system, in comparison with nickel in the Ti-Ni system, has a higher reactivity, which leads to the intensive occurrence of solid-phase interaction processes with the formation of an intermetallic phase.

Не известно использование алюминия в качестве плакирующего слоя на титане для создания композиционных порошков для плазменного напыления покрытий. Известно использование алюминия в качестве покрытия, наносимого на пучок нитевидных кристаллов для получения полуфабриката при изготовлении композиционных материалов и напыление на поверхность заготовки слоя алюминия для улучшения условий трения между поверхностями заготовки и инструмента. It is not known to use aluminum as a cladding layer on titanium to create composite powders for plasma spraying of coatings. It is known to use aluminum as a coating applied to a bundle of whiskers to obtain a semi-finished product in the manufacture of composite materials and spraying an aluminum layer on the surface of the workpiece to improve the friction conditions between the surfaces of the workpiece and the tool.

Известное сочетание слоев Ti-Ni по прототипу обеспечивает покрытие с микротвердостью порядка 7000 МПа, в то время как заявляемый композиционный порошок Ti-Al обеспечивает покрытие с микротвердостью 35000 МПа. The known combination of Ti-Ni layers according to the prototype provides a coating with a microhardness of the order of 7000 MPa, while the inventive composite Ti-Al powder provides a coating with a microhardness of 35000 MPa.

высокие эксплуатационные свойства покрытия, получаемые с применением заявляемого порошка связаны с высокой реакционной способностью пиролитического алюминия и сочетанием металлов. Проведение алюминирования порошка титана в инертной атмосфере исключает наличие окисного слоя Al₂O₃ на границе раздела металлов Ti-Al. Кроме того, раствор алюмоорганического соединения восстанавливает оксидную пленку и на титане. Отсутствие окисных пленок на металлах и высокая реакционная способность алюминия обеспечивают энергичное взаимодействие металлов до температуры плавления алюминия. По данным дифференциально-термического анализа взаимодействие алюминия с титаном с образованием интерметаллида Ti₃Al происходит при температуре < 600^оС.high performance properties of the coating obtained using the inventive powder are associated with high reactivity of pyrolytic aluminum and a combination of metals. Carrying out aluminization of titanium powder in an inert atmosphere excludes the presence of an oxide layer of Al ₂ O ₃ at the Ti-Al metal interface. In addition, a solution of organoaluminum compounds reduces the oxide film on titanium. The absence of oxide films on metals and the high reactivity of aluminum provide energetic interaction of metals to the melting point of aluminum. According to differential thermal analysis, the interaction of aluminum with titanium with the formation of the Ti ₃ Al intermetallic compound occurs at a temperature of <600 ^о С.

П р и м е р 1. Алюминирование частиц титана проводят разложением диизобутилалюминийгидрида (i-C₄H₉)₂AlH (ДИБАГ). В грушевидную колбу в атмосфере аргона помещают 30 г предварительно обезжиренных в смеси растворителей (ацетон+спирт) и высушенных при температуре 80^оС частиц титана. Приливают 45 мл 75%-ного раствора ДИБАГ в толуоле, в колбу помещают излучатель ультразвукового генератора УЗДН-2Т и включают на частоту 22 кГц. Реакционную смесь при перемешивании в УЗ-поле выдерживают 1 ч при температуре 250-280^оС. По окончании пиролиза ДИБАГ, которое фиксируют по окончанию выделения газа в барботере на выходе из реактора, порошок охлаждают в токе аргона и выдерживают в вакууме 0,3 мм рт.ст. для полного удаления продуктов пиролиза. Получают 35,7 г порошка титана, плакированного алюминием, с содержанием: алюминий 16 мас. титан остальное.Example 1. Aluminization of titanium particles is carried out by decomposition of diisobutylaluminium hydride (iC ₄ H ₉ ) ₂ AlH (DIBAG). The pear-shaped flask under argon were placed 30 g of pre-defatted in a solvent mixture (acetone + alcohol) and dried at ⁸⁰ ° C titania particles. 45 ml of a 75% solution of DIBAG in toluene are added, the emitter of the ultrasonic generator UZDN-2T is placed in the flask and turned on at a frequency of 22 kHz. The reaction mixture was stirred at ultrasonic field is maintained for 1 hour at a temperature of 250-280 ^C. After pyrolysis DIBAH, which is fixed at the end of gas evolution in the bubbler at the reactor outlet, the powder was cooled under argon and kept under vacuum of 0.3 mm Hg to completely remove the pyrolysis products. Obtain 35.7 g of titanium powder clad with aluminum, with a content of: aluminum 16 wt. titanium rest.

Полученный порошок использовали в качестве композиционного порошка для нанесения покрытия на стальную поверхность при следующих режимах: напряжение дуги 40-60 В; сила тока 300-350 А; мощность 30 кВт; плазмообразующий газ Ar + 10% N₂; расход газа 2-3 м³/ч; дистанция напыления 100-150 мм. Было получено покрытие толщиной 0,4 мм со следующими свойствами: плотность 98% микротвердость 32000 МПа; износостойкость 12 ˙10^-5 г/мм² ч; теплостойкость (износ после нагрева до 1000^оС) 15 ˙10^-5 г/мм² ч.The resulting powder was used as a composite powder for coating a steel surface under the following conditions: arc voltage 40-60 V; current strength 300-350 A; power 30 kW; plasma gas Ar + 10% N ₂ ; gas consumption 2-3 m ³ / h; spraying distance 100-150 mm. A coating with a thickness of 0.4 mm was obtained with the following properties: density 98% microhardness 32,000 MPa; wear resistance 12 ˙10 ^-5 g / mm ² h; heat resistance (wear after heating to 1000 ^about C) 15 ˙ 10 ^-5 g / mm ² hours

Аналогично примеру 1 были получены порошки с иным процентным содержанием компонентов, данные сведены в таблицу. Analogously to example 1, powders with a different percentage of components were obtained, the data are summarized in table.

На основании приведенных данных видно, что порошок позволяет получать покрытие с микротвердостью в 5 раз большей, чем у покрытия, изготовленного из порошка по прототипу. Покрытие обладает высокими износостойкостью, теплостойкостью, высокой плотностью, высокой прочностью сцепления с основой, однородным фазовым составом, равномерным распределением твердости по сечению покрытия. Based on the above data, it can be seen that the powder allows to obtain a coating with a microhardness 5 times greater than that of a coating made of a powder according to the prototype. The coating has high wear resistance, heat resistance, high density, high adhesion to the base, homogeneous phase composition, uniform distribution of hardness over the cross section of the coating.

Claims

COMPOSITION POWDER BASED ON TITANIUM FOR PLASMA SPRAYING OF COATINGS, containing titanium particles clad with a metal layer with a particle size of clad powder particles of 45 120 μm, characterized in that the titanium particles contain a layer of aluminum in the following ratio of components in the composite powder, wt.

Aluminum 6 40
Titanium rest