способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного нанокомпозита

Классы МПК:C23C24/08 с использованием нагрева или давления и нагрева
B82B3/00 Изготовление или обработка наноструктур
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-11-30
публикация патента:

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектронике, альтернативной энергетике и т.д.

В способе получения наноструктурного покрытия из гранулированного нанокомпозита «металл-керамика» получают нанокомпозит предпочтительно методом ионно-лучевого распыления с образованием гранул, со средним диаметром преимущественно 2-4 нм, а концентрацию металлической фазы в получаемом нанокомпозите при распылении обеспечивают в пределах 25-30 ат.%. Изобретение обеспечивает создание наноструктурного покрытия, обеспечивающего повышенную износостойкость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости. 2 ил.

способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645

Формула изобретения

Способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного нанокомпозита «металл-керамика», заключающийся в получении нанокомпозита предпочтительно методом ионно-лучевого распыления с образованием гранул, со средним диаметром преимущественно 2-4 нм, характеризующийся тем, что концентрацию металлической фазы в получаемом нанокомпозите при распылении обеспечивают в пределах 25-30 ат.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в различных областях современной наноиндустрии, микроэлектроники, альтернативной энергетике и т.д.

Исследования последних лет показали, что материалы и покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и наноструктурными упрочняющими элементами обладают улучшенными физико-химическими и механическими свойствами. Поэтому в последние годы во всем мире проводятся работы по разработке способов получения материалов с наноструктурой.

Как правило, получаемые покрытия представляют собой металлические сплавы и поэтому улучшают свойства защищаемой поверхности лишь по одному из параметров, например твердость или прочность, в то время как по другим параметрам обнаруживают значительно более низкие показатели. Традиционные способы формирования упрочняющих покрытий являются различными вариантами методов наплавки, таких, как плазменное, электронно-лучевое, лазерное, аргонодуговое, электродуговое, электрошлаковое и д.р., и это позволяет при наплавлении покрытий использовать присадочные материалы для повышения прочности за счет создания гетерофазной, а не однофазной структуры.

Известны различные методы формирования наноструктурных поверхностных слоев и наноструктурных покрытий, например, методом лазерно-плазменной обработки [В.В.Мелюков, А.В.Частиков, А.А.Чирков, А.М.Чирков, А.В.Окатов. Формирование наноструктурных поверхностных слоев методом лазерно-плазменной обработки при атмосферных условиях. Сб.: Сварка и контроль. - 2005. Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири 16-18 марта 2005 г., Челябинск, 2005, с.125-131] или методом абразивной обработки [Zhang Shu-lan, Chen Huai-ning, Lin Quanhong, Liu Gang (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, КНР). Hanjie xuebao=Trans. China Weld. Inst. 2005. 26, № 3, c.73-76].

Однако эти методы и покрытия, полученные этими методами, обладают рядом недостатков.

Внешняя поверхность формируемых покрытий характеризуется значительной шероховатостью, что требует последующей дополнительной обработки, уменьшающей толщину покрытия и влияющей на структурное состояние покрытия, что, в свою очередь, снижает его упрочняющие характеристики. Кроме того, размеры зерен в получаемых слоях покрытия составляют сотни и более нанометров, что не является оптимальным для упрочнения получаемого наружного слоя.

Известен способ и материал, получаемый этим способом, получения наплавленного покрытия с применением в качестве присадочного материала смеси порошков исходных компонентов, включающей карбид вольфрама WC [С.Ф.Гнюсов, Д.А.Маков, В.Г.Дураков. Получение износостойких композиционных покрытий с мультимодальным распределением упрочняющей фазы. - Сб.: Сварка и контроль. - Материалы докладов 24-й научно-технической конференции сварщиков Урала и Сибири 16-18 марта 2005 г., Челябинск, 2005. С.74-82].

Указанный способ реализуется следующим образом.

При аргонодуговой наплавке неплавящимся электродом по прототипу за один проход формировалось покрытие толщиной 3-4 мм. Размер зерна матрицы составлял 8,0-60,0 мкм, а средний размер частиц упрочняющей фазы составлял 3,3 мкм. При этом в полученных покрытиях находившийся в смеси порошков монокарбид вольфрама в результате воздействия сварочной дуги и значительного перегрева ванны в зоне ее действия в процессе наплавки полностью растворялся в жидкой металлической ванне, а при последующем охлаждении упрочняющая фаза выделялась в виде равноосных зерен или в виде дендритов размерами от 4 до 15 мкм.

Недостатком известного способа и материала является то, что при его использовании невозможно получить металл покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне, т.к. к началу кристаллизации в жидком металле отсутствует необходимое количество центров кристаллизации для получения металла покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и упрочняющими частицами в наноразмерном диапазоне.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание наноструктурного покрытия из гранулированного нанокомпозита «металл-керамика», обеспечивающего повышенную износостойкость и прочность, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе получения наноструктурного покрытия из гранулированного нанокомпозита «металл-керамика», состоящем из гранул, со средним диаметром преимущественно 2способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 4 нм, полученных методом ионно-лучевого распыления, согласно изобретению концентрация металлической фазы при распылении выбирают в пределах 25способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 30 ат.%.

Указанные пределы выбраны исходя из следующих соображений.

Высокая износостойкость и твердость композитов обусловлены наличием в них двух принципиально различных наноструктурированных сред: металлической и диэлектрической, с высокой объемной долей границраздела фаз, препятствующих как межзеренному скольжению, так и распространению трещин.

Максимальная твердость реализуется в композите, в котором сплошной фазой является оксидная керамика, а металлическая фаза представлена в виде изолированных друг от друга наногранул размером 2-3 нм. При возникновении в нанокомпозите механических напряжений металлические гранулы пластически деформируются, не давая, тем самым, деформироваться и разрушаться керамике, сохраняя при этом ее сплошность и обеспечивая, таким образом, целостность материала покрытия. Максимум микротвердости обусловлен оптимальным объемным сочетанием двух фаз, одна из которых более пластична, а другая -более хрупкая. Учитывая вышеизложенное, нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем уменьшении концентрации металла Нv твердость покрытия снижается, поскольку начинает преобладать естественная хрупкость диэлектрика.

Экспериментальные работы показали, что, при снижении концентрации металлической фазы в нанокомпонентах менее 30 ат.% также снижается износостойкость, причем в отличие от зоны с максимальной износостойкостью 30способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 56 ат.% увеличение нагрузки всего лишь в два раза от 2 до 4 Н приводит к разрушению покрытия. По всей видимости, это является следствием изменения морфологии композитов: для таких низких концентраций металлической фазы основная объемная доля композита приходится на диэлектрик CAF2, являющийся боле хрупким материалом, чем металлический сплав. В этом случае развитие микротрещин керамического материала не блокируется лабиринтной структурой металлических наногранул и разрушение покрытия идет более активно.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано, исходя из того, что при его дальнейшем увеличении происходит падение твердости покрытия, связанное с пластическим деформированием пленки, при этом максимум износостойкости обусловлен оптимальным объемным сочетанием двух фаз, одна из которых более пластичная, а другая - более хрупкая. Однако в тех образцах, где содержание металлической фазы составляет более 60 ат.%, происходит резкое снижение износостойкости из-за того, что металлическая фаза представляется уже в виде сравнительно больших образований из контактирующих друг с другом гранул - кластеров. С увеличением концентрации металлической фазы происходящий рост гранул до кластеров приводит к невозможности подавления процессов зарождения и развития дислокации.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана концентрационная зависимость размерного коэффициента износостойкости k нанокомпозита (CO40Fe40 B20)x(CaF2)100-x, полученная экспериментальным путем, на фиг.2 - концентрационная зависимость микротвердости нанокомпозита (CO86Nb 12Ta2)x(SiOn)100-x , полученная экспериментальным путем.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1.

Композиты (CO40Fe40B20) x(CaF2)100-х получены методом ионно-лучевого распыления составных мишеней в среде аргона. Совместное осаждение компонентов материала производилось на ситалловые подложки СТ-60, на поверхности которых, в результате процессов самоорганизации, происходило формирование двухфазной структуры.

Для исследования износостойкости композитов использовались покрытия толщиной 5способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 6 мкм, нанесенные на ситалловые подложки и содержащие различное количество металлической фазы: 23, 30, 36, 55 и 65 ат.%.

Трибологические исследования композиционных покрытий проводились на автоматизированной машине трения High-Temperature Tribometer, CSM Instruments, Швейцария, по схеме испытания «шарик-диск» в соответствии с международными стандартами ASTM G99-959, DIN50324. Непосредственно в процессе испытаний определялся коэффициент трения трущейся пары. В качестве материала контртела, представляющего собой шарик диаметром 6 мм, использовался оксид алюминия А1 з0з. Измерение коэффициентов трения трущейся пары выполнялись на воздухе, при нагрузке на индентор от 2Н до 7Н и скорости перемещения контртела 7 см/сек. Результаты испытаний показаны на фиг.1. Из полученных экспериментальных данных следует, что коэффициент износостойкости k имеет оптимальное значение в предложенных пределах концентрации металлической фазы при напылении.

Исследования показали, что максимальная износостойкость полученных покрытий достигается при концентрации металлической фазы от 20 до 60 ат.%, преимущественно 30способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 56 ат.%

Пример 2.

Композиты (CO86Nb12Ta2)x(SiO n)100-x получены методом ионно-лучевого распыления составных мишеней.

Совместное осаждение компонентов материала производилось на ситалловые подложки СТ-60, на поверхности которых, в результате процессов самоорганизации, происходило формирование двухфазной структуры. Навески пластин из диэлектрика были распределены на поверхность основы мишени неравномерно, что позволило получить за один цикл напыления образцы в широком диапазоне концентрации металла. Температура подложки не превышала 100способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 120°С, поэтому диффузионная подвижность адсорбирующих атомов была невысока. Химический состав образцов контролировался рентгеновским электронно-зондовым микроанализом. Морфология изучалась с помощью растровой электронной микроскопии и оптического микроскопа.

Для исследования твердости покрытий из композитов использовались покрытия толщиной 5способ получения наноструктурного покрытия из гранулированного   нанокомпозита, патент № 2511645 6 мкм, нанесенные на ситалловые подложки и содержащие различное количество металлической фазы: 23, 30, 36, 55 и 65 ат.%.

Исследования показали, что максимальная твердость полученных покрытий достигается при концентрации металлической фазы от 20 до 40 ат.%, преимущественно 25 ат.%.

Использование предложенного технического решения позволит создать наноструктурное покрытие из гранулированного композита «металл-керамика», обеспечивающего повышенную износостойкость и твердость, высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2511645

patent-2511645.pdf

Класс C23C24/08 с использованием нагрева или давления и нагрева

устройство и способ формирования аморфной покрывающей пленки -  патент 2525948 (20.08.2014)
способ нанесения смеси углерод/олово на слои металлов или сплавов -  патент 2525176 (10.08.2014)
способ повышения коррозионной стойкости нелегированной стали -  патент 2513670 (20.04.2014)
формирование тонких равномерных покрытий на кромках лезвий с использованием изостатического прессования -  патент 2510802 (10.04.2014)
способ восстановления внутренней поверхности ступицы направляющего аппарата центробежного электронасоса -  патент 2510426 (27.03.2014)
способ формирования износостойкого покрытия деталей -  патент 2510319 (27.03.2014)
формирование тонких однородных покрытий на кромках бритвенных лезвий с использованием изостатического прессования -  патент 2507063 (20.02.2014)
способ повышения износостойкости наноструктурного покрытия из гранулированного композита -  патент 2506347 (10.02.2014)
наноструктурное покрытие из гранулированного композита -  патент 2506346 (10.02.2014)
способ нанесения медного покрытия -  патент 2505621 (27.01.2014)

Класс B82B3/00 Изготовление или обработка наноструктур

Наверх