Композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОРОШКООБРАЗНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Манойло Евгений Данилович Онащенко Филипп Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56)14389 1, 2011. МАНОЙЛО Е.Д. и др. Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка. Международный симпозиум. Материалы докладов. Ч. 1. - Минск, 2009. - С. 226-229.14836 1, 2011.2387736 2, 2010.1700927 1, 2006.2011/0123431 1.2004/104260 1.(57) Композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, содержащий порошки оксида алюминия и полиамида, отличающийся тем, что содержит 5-60 мас.оксида алюминия с размером частиц 25-55 нм и 40-95 мас.полиамида с размером частиц 40-160 мкм. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам порошков, применяемых для получения защитных покрытий методами газотермического напыления. Существенно снизить скорость протекания процессов на взаимодействующих с окружающей средой поверхностях деталей солеперерабатывающего оборудования позволяет использование защитных покрытий, наносимых из композиционных порошков 1. Основными требованиями к таким покрытиям являются непроницаемость для окружающей среды, достаточная прочность и твердость. Перспективным направлением при решении поставленной задачи является использование композиционных материалов на основе порошков оксида алюминия и полимера,наносимых методом высокоскоростного газопламенного напыления. Оксид алюминия и полиамид обладают высокой химической стойкостью в различных средах, при этом оксид алюминия, кроме того, имеет высокую твердость и стойкость в условиях трения, в которых работают детали солеперерабатывающего оборудования. Положительными качествами полимерных материалов в применении к парам трения являются такие их свойства, как эластичность и упругость, позволяющие демпфировать возникающие нагрузки, высокая коррозионная стойкость в различных средах, хорошая прирабатываемость в паре трения с более твердым телом, легкость обработки. Отрицательными качествами полимеров в парах трения являются их ползучесть и релаксация,17716 1 2013.12.30 низкая теплопроводность, высокий КТР и резкое ухудшение прочностных свойств при относительно невысоком повышении температуры 2. Известен композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, состоящий из смеси порошков полиамида, полиэтилентерефтолата и 0,5 ультрадисперсных алмазов, с размерами частиц полиамида - 40-160 мкм, полиэтилентерефталата 0-100 мкм. Он предназначен для защиты роторов погружных насосов от совместного воздействия кавитации, коррозии и эрозии и позволяет восстановить рабочие характеристики погружных насосов и увеличить их срок службы при постоянных токовых режимах. Введение ультрадисперсных алмазов позволило уменьшить коэффициент трения, улучшить термостабильность, получить более качественную микроструктуру и повысить прочностные свойства покрытия. Однако такой композиционный порошкообразный материал имеет невысокую твердость, что не позволяет использовать его для защиты от износа и активной солевой коррозии, в частности, роторов смесителей солеперерабатывающих предприятий 3. Известен также композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, состоящий из 60 полиэтилентерефталата, 15-30 полиамида и 10-30 оксида алюминия, с размерами частиц полиэтилентерефталата 0-100 мкм, полиамида - 40-160 мкм и оксида алюминия - 20-40 мкм. Данный материал был использован для газопламенного напыления защитных покрытий на крупногабаритные детали - бункеры разбрасывателя солепесчаной смеси, на которые в процессе эксплуатации одновременно воздействуют трение и коррозия. Основными параметрами, определяющими ресурс работы таких покрытий, при прочих равных условиях, являются твердость, прочность на разрыв и пористость. Покрытия из такого материала имеют прочность на разрыв 15-26 МПа. Твердость их с увеличением содержания оксида алюминия до 30 растет и достигает максимального значения 38 НВ,при этом поры в покрытии практически отсутствуют. При этом наиболее высокие защитные свойства покрытий были обеспечены при использовании композиции, состоящей из 60 полиэтилентерефталата, 15 полиамида и 25 оксида алюминия, при толщине слоя покрытия 0,20,6 мм 4. Однако такой композиционный порошкообразный материал также имеет недостаточную твердость и прочность, что не обеспечивает необходимой стойкости деталей с покрытием, работающих в условиях трения и солевой коррозии. При создании композиций на основе полимера концентрация наполнителя, как правило, не превышает 30 . Использование в качестве наполнителей ультрадисперсных соединений с нанометровым размером частиц, высокой поверхностной энергией и наличием реакционных центров на поверхности, приводит к неординарным свойствам композиционных материалов 5. Нанокомпозиты способны к самоорганизации в условиях эксплуатации. В них наблюдается уникальное сочетание электрических, магнитных, механических, тепловых и др. свойств, которые невозможно реализовать в обычных композитах. Реализация таких свойств обусловлена высокой активностью нанонаполнителей вследствие их способности быть высокоэффективными ловушками для носителей зарядов, центрами кристаллизации полимеров и легкой приспосабливаемости к условиям внешнего энергетического воздействия и условиям среды. Так, например, введение 0,1 наночастиц оксида алюминия в ПТФЭ увеличивает его прочность на разрыв на 25(до 26,0 МПа) 6. Наиболее близким из известных материалов по составу компонентов к заявляемому является композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, содержащий порошки оксида алюминия и полиамида, отличающийся тем, что содержит 40-80 мас.оксида алюминия и 20-60 мас.полиамида и дополнительно к общей массе порошков содержит частицы ультрадисперсных алмазов в количестве 0,020,5 мас. , при этом размеры частиц оксида алюминия составляют 10-20 мкм, полиамида 20-100 мкм, ультрадисперсных алмазов - 4-6 нм 7. 2 17716 1 2013.12.30 Задачей изобретения является создание композиционного порошкообразного материала для газопламенного напыления покрытий, состоящего из частиц оксида алюминия и полимера, который позволяет получить при напылении более высокие параметры прочности и твердости покрытий, повысить стойкость деталей с покрытием при работе в условиях трения и солевой коррозии. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении композиционного порошкообразного материала для газопламенного напыления практически непроницаемых покрытий с повышенной прочностью на разрыв и твердостью. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, содержащий порошки оксида алюминия и полиамида, для получения вышеуказанного технического результата содержит 5-60 мас.оксида алюминия с размером частиц 25-55 нм и 40-95 мас.полиамида с размером частиц 40-160 мкм. Предлагаемый состав композиционного порошкообразного материала при оптимальных режимах газопламенного напыления (скорость соударения частиц с подложкой 80-120 м/с), обеспечивает формирование высокопрочного, твердого, непроницаемого покрытия, значительной толщины (до 1,0 мм). При газопламенном напылении покрытия из предлагаемого композиционного порошкообразного материала полиамид находится в высокопластичном или жидком состоянии и, частицы оксида алюминия, благодаря своим малым размерам 25-55 нм и высокой удельной поверхности - 31-65 м 2/г, свободно располагаются в межструктурных пространствах полиамида, что исключает образование дефектных участков в покрытии и увеличивает его физико-механические свойства. Композиционный материал при контакте с подложкой хорошо растекается, смачивая ее. Так как подложка при этом находится в твердом состоянии, то избыточная тепловая энергия от наночастиц оксида алюминия передается к ней и частицам полимера, увеличивая время охлаждения покрытия и полимеризации. Благодаря усилению процессов взаимодействия, при газопламенном напылении композиционного порошка образуются прочные связи между частицами композиционного материала и подложкой, формируется высокоплотное (менее 1 пор), твердое (НВ 45127) покрытие с прочностью на растяжение до 65 МПа. В качестве основных компонентов для создания такого материала были взяты порошки Полиамид-11 - (торговая марка Рильсан - Франция) с размерами частиц до 160 мкм. Порошок Полиамид-11 обладает высокой технологичностью при нанесении покрытий,хорошими прочностными и антифрикционными свойствами, а в процессе эксплуатации не разбухает. В качестве наночастиц оксида алюминия использовали порошки 23 - 42 п и 131 п Института электрофизики Уральского отделения РАН со следующими характеристиками характерный размер частиц - 18-26 нм удельная поверхность - 31-65 м 2/г форма частиц сферическая содержание частиц более 0,2 мкм - 1,6-4,5 мас. , содержание летучих веществ - 2 мас. , полностью удаляются при нагреве до 500 С в потоке воздуха. Пример. Для испытаний было подготовлено 5 вариантов порошков 1-5 указанного состава Состав композиции, мас.Оксид алюминия Полиамид 1 5 95 2 20 80 3 35 65 4 50 50 5 60 40 3 17716 1 2013.12.30 Предварительно порошки частиц 23 и полиамида обрабатывались в двухбаночном смесителе в присутствии шаров из сплава ВК 6 диаметром 10 мм. Отношение массы шаров к массе композиционного материала - 71, время обработки - 25-30 мин. Покрытия наносили на подложку из нержавеющей стали, подвергнутую струйноабразивной обработке электрокорундом нормальным ГОСТ 3647-80 зернистостью 80 Н(ГОСТ 11964-81), при следующих режимах дистанция от сопла аппарата до обрабатываемой поверхности - 60 мм, угол атаки абразива (угол соударения с поверхностью) - 90,давление воздуха - 5-6 кГс/см 2, время обработки - 3-5 с. Совокупность режимов струйноабразивной обработки обеспечивала следующие параметры контактной поверхности подложки высота микронеровностей 12-15 мкм. Газопламенное напыление порошковых композиций 1-5 производили аппаратом ТЕНА-Ппм производства ОДО ТЕНА, РБ, при следующих режимах работы давление газов, кгс/см 2 кислород - 6,0 горючий газ - метилацетиленовая фракция (МАФ) - 1,5 сжатый воздух - 5,0 расход газов, м 3/ч кислород - 6,0 метилацетиленовая фракция(МАФ) - 2,0 сжатый воздух 20,0 дистанция напыления - 150 мм, скорость перемещения сопла газопламенной горелки - 300 мм/мин. Указанные режимы работы аппарата обеспечивали скорость полета частиц композиционного материала около 100 м/с. Скорость полета частиц определяли с помощью прибора ИССО-1. Полученные покрытия имели уровень свойств, приведенный в табл. 2. Таблица 2 композиции Твердость, НВ Пористость, П,Прочность , МПа Прототип 120 60 0,6 1 45 33 0,3 2 54 47 0,4 3 75 65 0,5 4 98 38 0,8 5 127 26 0,9 Из табл. 2 видно, что при увеличении в предлагаемом композиционном порошкообразном материале концентрации частиц оксида алюминия твердость покрытия увеличивается от 45 до 127 НВ, прочность - от 33 до 65 МПа, а пористость - от 0,3 до 0,9 . При дальнейшем увеличении в композиции количества частиц оксида алюминия более 40 прочность покрытия уменьшается, а пористость увеличивается. В результате применения для газопламенного напыления покрытий заявляемого композиционного порошкообразного материала, содержащего 5-60 мас.частиц оксида алюминия с размером 25-55 нм и 40-95 мас.полиамида с размером 40-160 мкм, формируется высокоплотное (0,3-0,9 пор), твердое (НВ 45-127) покрытие с прочностью на растяжение 33-65 МПа. Такое покрытие обладает повышенной долговечностью при работе в условиях трения и активной солевой коррозии. Такие условия реализуются, в частности, при работе колес вентиляторов солеперерабатывающих предприятий. Источники информации 1. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. и др. Порошковая металлургия и напыление покрытия. - М. Металлургия, 1987. - 792 с. 2. Вадас Э. Изготовление и ремонт деталей машин с пластмассовым покрытием. - М. Машиностроение, 1986. - 320 с. 4 17716 1 2013.12.30 3. Ильюшенко А.Ф., Манойло Е.Д., Андреев М.А., Кухарев А.А. О возможности применения частиц ультрадисперсных алмазов при газопламенном напылении полимерных покрытий. Углеродные наночастицы в конденсированных средах Сб. научн. трудов. НАН Беларуси. - Минск ИТМО им. Лыкова, 2006. - С. 238-245. 4. Манойло Е.Д., Толстяк Э.Н., Осипов А.А., Кобяк Ю.В. Газопламенное напыление покрытий из композиционных материалов на полимерной основе. Сварка и родственные технологии Республ. межведомств. сб. научн. тр. - Минск. - Вып. 2. - 1999. - С. 124-128. 5. Слепцова С.А., Охлопкова А.А. Термодинамика межфазового взаимодействия в системе политетрафторэтилен-ультрадисперсная керамика // Полимерные композиты 2000 Сб. трудов МНТК - Гомель ИММС НАНБ, 2000. - С. 217-221. 6. Охлопкова А.А., Ульянова Т.М., Петрова П.Н. и др. Композиционные материалы на основе фторопласта и порошков оксида алюминия. Новые материалы и технологии порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия Материалы докладов 7-й МНТК. - Минск, 16-17 мая 2006. - Минск Институт порошковой металлургии БГНПК Пм, 2006. - С. 213-214. 7. Патент РБ 14389, МПК (2009) 23 4/04, 2009. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5