CC BY
1
Челябинский физико-математический журнал. 2024■ Т. 9, вып. 2. С. 347-354.
УДК 621.793.79 БОТ: 10.47475/2500-0101-2024-9-2-347-354
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА САМОСМАЗЫВАЮЩЕГОСЯ ПОКРЫТИЯ СИСТЕМЫ МЕДЬ — НИКЕЛЬ — ГРАФИТ, ПОЛУЧЕННОГО ХОЛОДНЫМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ
B. С. Шикалов1а, Т. М. Видюк1, А. А. Лушов12,
C. Ю. Усынин1, И. С. Батраев3
1 Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия
2 Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия 3Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, Россия а [email protected]
Применение медноматричных самосмазывающихся покрытий является привлекательным способом обеспечения высокой электропроводности и износостойкости в контактных парах трения в различных областях современной промышленности. В настоящей работе впервые исследованы структура и свойства самосмазывающегося покрытия системы медь — никель — графит, полученного на медной подложке методом холодного газодинамического напыления высокого давления. Покрытие было получено путём напыления порошков меди и плакированного никелем графита, смешанных в соотношении 70/30 вес. %. Полученное покрытие обладает привлекательным сочетанием твёрдости (108.8 ИУх), коэффициента трения (0.34) и электропроводности (43.8% LA.CS), что открывает перспективы для применения такого материала в электротехнических областях современного производства.
Ключевые слова: холодное газодинамическое напыление, медноматричное покрытие, графит, твёрдость, коэффициент трения, электропроводность.
Введение
Холодное газодинамическое напыление (ХГН) — развивающийся метод нанесения функциональных покрытий и аддитивного производства, в основе которого лежит взаимодействие сверхзвуковой газопорошковой струи с подложкой при температуре ниже температуры плавления напыляемых частиц [1-4]. При соударении с подложкой частицы порошка за счёт высокой кинетической энергии пластически деформируются и образуют сплошное покрытие, исключая плавление и фазовые превращения. Применение самосмазывающихся медноматричных покрытий является эффективным способом обеспечения высокой электропроводности и износостойкости в контактных парах трения в различных областях современного машиностроения. Использование графита в качестве твёрдой смазки позволяет в процессе сухого трения сформировать на поверхности покрытия тонкий смазывающий слой, тем самым минимизируя коэффициент трения. Медь является одним из
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 23-29-10123, https://rscf.ru/project/23-29-10123/ и Правительства Новосибирской области с использованием оборудования ЦКП «Механика» (ИТПМ СО РАН).
наиболее распространённых порошковых материалов, применяемых в ХГН, благодаря высокой пластичности [5-10]. Однако при использовании в ХГН порошковой смеси меди и графита низкая адгезионная способность графита препятствует росту покрытия, в связи с чем получить такой композит на практике не представляется возможным. Решением этой проблемы является использование порошка структуры ядро — оболочка, где ядро — труднонапыляемый компонент, а в качестве оболочки выступает пластичный металл [б; 11-13]. Такой подход применительно к введению частиц графита в медноматричное покрытие использовался в работах [14; 15]. В работе [15] смеси порошков меди и плакированного медью графита напылялись на подложки из алюминиевого сплава методом ХГН низкого давления. Микротвёрдость и адгезионная прочность полученных покрытий снижалась с увеличением содержания графита. Покрытие с наибольшим содержанием графита (0.57 вес. %) демонстрировало наименьшие коэффициент трения (около 0.15) и скорость изнашивания (6x 10-5 мм3/Нхм), что объяснялось образованием графитовой смазочной плёнки. Доминирующим механизмом изнашивания композиционных покрытий был абразивный износ в отличие от окислительного износа для покрытия из чистой меди. Аналогичные результаты были получены в работе [14], в которой на подложки из нержавеющей стали методом ХГН низкого давления напылялась смесь порошков меди, оксида алюминия и плакированного медью графита. Покрытие, полученное из смеси с 10 вес. % Al2O3 и 10 вес. % графита, имело наименьший коэффициент трения 0.29, что объяснялось образованием смазывающего слоя, а также снижением растрескивания в процессе трения. С увеличением содержания графита в покрытии механизм износа менялся от адгезионного к абразивному с отслаиванием. Электрические свойства покрытий в работах [14; 15] не исследовались.
В настоящей работе впервые исследовалась возможность получения композиционного покрытия системы медь — никель — графит на медной подложке методом ХГН высокого давления. Целью работы являлось изучение влияния добавки частиц плакированного никелем графита в медноматричное покрытие на его твёрдость, электропроводность и трибологические характеристики. Для достижения поставленной цели было проведено сравнительное исследование свойств композитного покрытия и покрытия из чистой меди.
1. Материалы и методики
В качестве исходных материалов для напыления использовались порошки электролитической меди марки ПМС-1 со средним размером 59 мкм и плакированного никелем графита (Ni75-C25 вес.%) марки НПГ-75 со средним размером 98 мкм. Порошковая смесь меди и никеля-графита в соотношении 70/30 вес.% была приготовлена с использованием V-образного смесителя Venus FTLMV-02 (FILTRA VIBRACION S.L., Испания). Покрытия наносились на предварительно пескостру-енные медные подложки на установке ХГН высокого давления (ИТПМ СО РАН, Россия), оснащённой осесимметричным соплом Лаваля OUT1 (Impact Innovations GmbH, Германия). В качестве рабочего газа использовался сжатый азот с давлением торможения 4 МПа и температурой торможения 700 °C. Композитное покрытие и покрытие из чистой меди были получены при одинаковых параметрах напыления.
Структура покрытий исследовалась на поперечных шлифах с использованием сканирующего электронного микроскопа EVO MA15 (Zeiss, Германия), оснащённого энергодисперсионным спектрометром X-Max 80 мм2 (Oxford Instruments, Великобритания).
Твёрдость покрытий измерялась на поперечных шлифах с помощью твердомера
DuraScan-50 (EMCO-Test, Австрия) по методу Виккерса при постоянной нагрузке 1 кг. Средние значения твёрдости рассчитывались по результатам 13 измерений.
Трибологические испытания проводились на трибометре UMT-2 (Bruker Nano, Германия) в режиме сухого скользящего трения по схеме шар — плоскость при длине хода 5 мм, частоте 5 Гц и нагрузке 25 Н. В качестве контртела использовался шарик из сплава ВК6 диаметром 6.35 мм. Время испытаний составляло 2000 с, что эквивалентно пройденному пути 100 м. Потеря объёма материала после испытаний измерялась на трёхмерных профилях, полученных с помощью интерференционного профилометра ContourGT-K1 (Bruker Nano, Германия). Средние значения потери объёма и коэффициента трения рассчитывались по 3 измерениям.
Электропроводность измерялась вихретоковым методом с помощью прибора К6 (Константа, Россия) и сравнивалась с международным стандартом отожжённой меди (IACS). Средние значения рассчитывались по результатам 5 измерений.
2. Результаты и обсуждение
При одинаковых параметрах напыления на медных подложках были получены покрытия из чистой меди (далее обозначено как Cu) и меди — никеля — графита (далее обозначено как Cu-Ni-C) толщиной около 5 мм для дальнейшего сравнительного анализа их свойств. Толщина одного наносимого слоя покрытия составляла около 2.45 и 1.25 мм для покрытий Cu и Cu-Ni-C соответственно, что указывает на снижение коэффициента напыления композитного покрытия, как было показано ранее в работе [15]. По всей видимости, достаточно крупные размеры и пластинчатая морфология частиц плакированного порошка приводят к их отскоку и снижению коэффициента напыления.
Изображения поперечного сечения покрытия, полученные с помощью электронной микроскопии, приведены на рис. 1. Признаков растрескивания или отслаивания покрытия от подложки не наблюдалось, что свидетельствует о высокой адгезионной прочности. Плакированные частицы после напыления сохранили свою пластинчатую морфологию, что привело к формированию слоистой структуры покрытия. Результаты энергодисперсионного анализа показали, что в покрытии присутствуют медь, никель и углерод. Частицы графита в покрытии заключены в никелевую оболочку, как и в исходном напыляемом порошке.
Рис. 1. Микроструктура покрытия Си-№-С при малом (а) и большом увеличении (б)
Как правило, конечный количественный элементный состав композиционных ХГН-покрытий может значительно отличаться от состава исходной порошковой смеси [16; 17]. Для определения остаточного содержания графита в покрытии был использован метод графического анализа изображений покрытия по соотношению
площадей, занятых частицами графита и металлической матрицей. Измеренное по данной методике содержание графита составило 8.1 ± 0.4 об.%. Если пересчитать измеренное объёмное содержание графита в весовое, то, учитывая, что соотношение никеля и графита 75/25 вес.% сохраняется в покрытии, весовой состав покрытия можно оценить как Cu-Ni1.41-C0.47. Таким образом, содержание плакированных частиц в полученном покрытии уменьшилось более чем на порядок по сравнению с их содержанием в порошковой смеси. Это напрямую связано со снижением коэффициента напыления из-за крупных размеров и пластинчатой формы плакированных частиц, что снижает их способность к закреплению в покрытии в процессе напыления.
Результаты исследования свойств покрытий приведены в таблице в виде измеренных значений твёрдости, потери объёма при износе, коэффициента трения и электропроводности.
Свойства полученных покрытий
Покрытие Твёрдость, ИУ1 Потеря объёма при износе, мм3 Коэффициент трения Электропроводность, % ¡ЛОБ
Ои 91.2 ± 1.5 0.019 ± 0.002 0.53 ± 0.02 82.6 ± 0.6
Ои-№-О 108.8 ± 1.7 0.067 ± 0.004 0.34 ± 0.01 43.8 ± 0.1
Введение плакированных частиц в медную матрицу способствует росту средней твёрдости с 91.2 ИУ1 для покрытия Си до 108.8 ИУ1 для покрытия Си-№-С. Наблюдаемое поведение объясняется сочетанием таких механизмов, как упрочнение за счёт армирования никелем, а также холодная деформация при высокоскоростном соударении в процессе напыления как закрепившимися, так и отскакивающими плакированными частицами.
Результаты измерения трибологических характеристик показали, что введение плакированных частиц в медную матрицу привело к снижению коэффициента трения с 0.53 для покрытия Си до 0.34 для покрытия Си-№-С. Такое поведение объясняется образованием в процессе трения сплошного графитового смазочного слоя [14; 15]. Однако, несмотря на снижение коэффициента трения, потеря объёма материала после испытаний для покрытия Си-№-С была значительно выше, чем для покрытия Си (0.067 и 0.019 мм3 соответственно). Таким образом, износостойкость композиционного покрытия снизилась по сравнению с покрытием из чистой меди. Также следует отметить, что объём материала, вымещенного из зоны трения на периферию, для покрытия Си-№-С был значительно меньше, чем для покрытия Си, что свидетельствует о снижении пластической деформации. Для выяснения причин такого поведения в будущем необходимо проводить исследование структуры и морфологии изношенной поверхности с целью определения механизмов изнашивания.
Измерения электропроводности вихретоковым методом показали, что медное покрытие обладает достаточно высокой проводимостью (82.6 % 1ЛСБ), в то время как электропроводность покрытия Си-№-С снизилась примерно в 2 раза (43.8 % 1ЛСБ). В работе [18] было показано, что удельное электрическое сопротивление медноматричных композитов характеризуется суммой изменения удельного электрического сопротивления на границах зёрен, дислокациях и армирующих частицах. При этом наибольший вклад в снижение общего электрического сопротивления композита вносит сопротивление в армирующих частицах. Логично предположить, что в настоящей работе снижение электропроводности обусловлено наличием достаточно высокого содержания плакированных частиц.
Заключение
Впервые с использованием порошковой смеси порошков меди и плакированного никелем графита было получено самосмазывающееся медноматричное покрытие методом ХГН высокого давления. Плакированные частицы после напыления сохранили свою пластинчатую морфологию, что привело к формированию слоистой структуры покрытия. Введение плакированных частиц покрытия в медную матрицу способствовало росту твёрдости с 91.2 HV1 для покрытия Cu до 108.8 HVi для покрытия Cu-Ni-C за счёт увеличения содержания никеля и холодной деформации. Введение плакированных частиц привело к снижению коэффициента трения с 0.53 для покрытия Cu до 0.34 для покрытия Cu-Ni-C, что объясняется формированием смазывающего графитового слоя. Несмотря на снижение коэффициента трения, износостойкость композиционного покрытия снизилась по сравнению с покрытием из чистой меди. Электропроводность покрытия Cu-Ni-C уменьшилась примерно в 2 раза (43.8 % IACS) по сравнению с покрытием Cu (82.6 % IACS). Полученные предварительные результаты открывают широкие перспективы для применения разработанного покрытия в различных областях современной промышленности.
Список литературы
1. Champagne V. K. The Cold Spray Materials Deposition Process. Fundamentals and Applications. Sawston : Woodhead Publ., 2007.
2. PapyrinA., KosarevV., KlinkovS., Alkhimov A. Cold Spray Technology. Amsterdam : Elsevier Science, 2007.
3. GuoD., KazasidisM., Hawkins A., FanN., LeclercZ., MacDonaldD., NasticA., NikbakhtR., Ortiz-Fernandez R., RahmatiS., Razavipour M., Richer P., YinS., LupoiR., JodoinB. Cold spray: over 30 years of development toward a hot future // Journal of Thermal Spray Technology. 2022. Vol. 31. P. 866907.
4. VazR. F., GarfiasA., Albaladejo V., Sanchez J., CanoI. G. A review of advances in cold spray additive manufacturing // Coatings. 2022. Vol. 13, no. 2. P. 267.
5. Li Y. J., Luo X. T., Rashid H., Li C. J. A new approach to prepare fully dense Cu with high conductivities and anti-corrosion performance by cold spray // Journal of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 740. P. 406-413.
6. ChenC., XieY., YanX., Ahmed M., LupoiR., Wang J., RenZ., LiaoH., YinS. Tribological properties of Al/diamond composites produced by cold spray additive manufacturing // Additive Manufacturing. 2020. Vol. 36, no. 3. P. 101434.
7. GrigorievS., GershmanE., GershmanI., MironovA. Properties of cold spray coatings for restoration of worn-out contact wires // Coatings. 2021. Vol. 11, no. 6. P. 626.
8. Nepochatov Yu. K., PletnevP. M., KosarevV. F., GudymaT. S. Development of technology for deposition of thick copper layers onto ceramic substrates applied in power electronics // Chimica Techno Acta. 2022. Vol. 9, no. 3. P. 20229307.
9. Shikalov V. S., VidyukT.M., Filippov A. A., Kuchumova I. D. Microstructure, mechanical and tribological properties of cold sprayed Cu-W coatings // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2022. Vol. 106. P. 105866.
10. KlinkovS., KosarevV., Shikalov V., VidyukT. Development of ejector nozzle for high-pressure cold spray application: a case study on copper coatings // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2023. Vol. 125. P. 4321-4328.
11. FengC., GuipontV., JeandinM., AmsellemO., PauchetF., SaengerR., BucherS., IacobC. B4C/Ni composite coatings prepared by cold spray of blended or CVD-coated powders // Journal of Thermal Spray Technology. 2012. Vol. 21. P. 561-570.
12. LuoX.T., LiC.X., ShangF.L., Yang G. J., WangY.Y., Li C.J. WC-Co composite coating deposited by cold spraying of a core-shell-structured WC-Co powder // Journal of Thermal Spray Technology. 2015. Vol. 24. P. 100-107.
13. YinS., CizekJ., ChenC., JenkinsR., O'DonnellG., LupoiR. Metallurgical bonding between metal matrix and core-shelled reinforcements in cold sprayed composite coating // Scripta Materialia. 2020. Vol. 177. P. 49-53.
14. ChenW., YuY., ChengJ., WangS., ZhuS., LiuW., YangJ. Microstructure, mechanical properties and dry sliding wear behavior of Cu — A12O3-graphite solid-lubricating coatings deposited by low-pressure cold spraying // Journal of Thermal Spray Technology. 2018. Vol. 27. P. 1652-1663.
15. ChenW., YuY., MaJ., ZhuS., LiuW., YangJ. Low-pressure cold spraying of copper-graphite solid lubricating coatings on aluminum alloy 7075-T651 // Journal of Thermal Spray Technology. 2019. Vol. 28. P. 1688-1698.
16. Alidokht S. A., VoP., Yue S., ChromikR. R. Cold spray deposition of Ni and WC-reinforced Ni matrix composite coatings // Journal of Thermal Spray Technology. 2017. Vol. 26. P. 1908-1921.
17. Fernandez R., JodoinB. Cold spray aluminum-alumina cermet coatings: effect of alumina content // Journal of Thermal Spray Technology. 2018. Vol. 27. P. 603-623.
18. Guo X. F., Jia L., Lu Z. L., Xing Z. G., Xie H., Kondoh K. Preparation of Cu/CrB2 composites with well-balanced mechanical properties and electrical conductivity by ex-situ powder metallurgy // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 17. P. 1605-1615.
Поступила в редакцию 11.12.2023. После переработки 07.04.2024.
Сведения об авторах
Ш^икалов Владислав Сергеевич, младший научный сотрудник, Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Видюк Томила Максимовна, кандидат химических наук, младший научный сотрудник, Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Лушов Артём Андреевич, студент факультета летательных аппаратов, Новосибирский государственный технический университет; лаборант, Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Усынин Сергей Юрьевич, инженер-исследователь, Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Батраев Игорь Сергеевич, младший научный сотрудник, Институт гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2024■ Vol. 9, iss. 2. P. 347-354.
DOI: 10.47475/2500-0101-2024-9-2-347-354
STRUCTURE AND PROPERTIES OF SELF-LUBRICATING COPPER-NICKEL-GRAPHITE COATING FABRICATED USING COLD SPRAY
V.S. Shikalov1", T.M. Vidyuk1, A.A. Lushov12, S.Yu. Usynin1, I.S. Batraev3
1 Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Novosibirsk, Russia 2Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia 3Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB RAS, Novosibirsk, Russia " [email protected]
Application of self-lubricating Cu-matrix coatings is an attractive way to provide high electrical conductivity and wear performance in contact friction pairs in various areas of modern engineering. In the present work, the structure and properties of self-lubricating copper-nickel-graphite coating deposited on copper substrate using high-pressure cold spray were studied for the first time. The coating was fabricated by spraying dendritic copper and flaked nickel-coated graphite powders mixed in a ratio 70/30 wt.%, which ensured the formation of a lamellar structure. The obtained coating exhibited an attractive combination of hardness (108.8 HVi), coefficient of friction (0.34) and electrical conductivity (43.8 % IACS), which open prospects for its electrical applications.
Keywords: cold spray, copper-based coating, solid lubricant, hardness, coefficient of friction, electrical conductivity.
References
1. Champagne V.K. The Cold Spray Materials Deposition Process. Fundamentals and Applications. Sawston, Woodhead Publ., 2007.
2. PapyrinA., KosarevV., KlinkovS., AlkhimovA. Cold Spray Technology. Amsterdam, Elsevier Science, 2007.
3. GuoD., KazasidisM., Hawkins A., FanN., LeclercZ., MacDonaldD., NasticA., NikbakhtR., Ortiz-Fernandez R., RahmatiS., Razavipour M., Richer P., YinS., LupoiR., JodoinB. Cold spray: over 30 years of development toward a hot future. Journal of Thermal Spray Technology, 2022, vol. 31, pp. 866-907.
4. VazR.F., Garfias A., Albaladejo V., Sanchez J., CanoI.G. A review of advances in cold spray additive manufacturing. Coatings, 2022, vol. 13, no. 2, p. 267.
5. Li Y.J., Luo X.T., Rashid H., Li C.J. A new approach to prepare fully dense Cu with high conductivities and anti-corrosion performance by cold spray. Journal of Alloys and Compounds, 2018, vol. 740, pp. 406-413.
6. ChenC., Xie Y., YanX., Ahmed M., LupoiR., Wang J., RenZ., LiaoH., YinS. Tribological properties of Al/diamond composites produced by cold spray additive manufacturing. Additive Manufacturing, 2020, vol. 36, no. 3, p. 101434.
7. GrigorievS., GershmanE., GershmanI., MironovA. Properties of cold spray coatings for restoration of worn-out contact wires. Coatings, 2021, vol. 11, no. 6, pp. 626.
8. Shikalov V.S., Vidyuk T.M., Filippov A.A., KuchumovaI.D. Microstructure, mechanical and tribological properties of cold sprayed Cu-W coatings. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2022, vol. 106, p. 105866.
The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation No. 23-29-10123, https://rscf.ru/project/23-29-10123 / and the Government of the Novosibirsk region using the equipment of the center for collective use "Mechanics" (ITAM SB RAS).
9. Nepochatov Yu.K., PletnevP.M., KosarevV.F., GudymaT.S. Development of technology for deposition of thick copper layers onto ceramic substrates applied in power electronics. Chimica Techno Acta, 2022, vol. 9, no. 3, p. 20229307.
10. KlinkovS., KosarevV., ShikalovV., VidyukT. Development of ejector nozzle for high-pressure cold spray application: a case study on copper coatings. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, vol. 125, pp. 4321-4328.
11. FengC., GuipontV., JeandinM., AmsellemO., PauchetF., SaengerR., BucherS., Iacob C. B4C/Ni composite coatings prepared by cold spray of blended or CVD-coated powders. Journal of Thermal Spray Technology, 2012, vol. 21, pp. 561-570.
12. LuoX.T., Li C.X., ShangF.L., YangG.J., WangY.Y., Li C.J. WC-Co composite coating deposited by cold spraying of a core-shell-structured WC-Co powder. Journal of Thermal Spray Technology, 2015, vol. 24, pp. 100-107.
13. YinS., CizekJ., ChenC., JenkinsR., O'DonnellG., LupoiR. Metallurgical bonding between metal matrix and core-shelled reinforcements in cold sprayed composite coating. Scripta Materialia 2020, vol. 177, pp. 49-53.
14. ChenW., YuY., ChengJ., WangS., ZhuS., LiuW., YangJ. Microstructure, mechanical properties and dry sliding wear behavior of Cu-Al2O3-graphite solid-lubricating coatings deposited by low-pressure cold spraying. Journal of Thermal Spray Technology, 2018, vol. 27, pp. 1652-1663.
15. ChenW., YuY., Ma J., ZhuS., LiuW., YangJ. Low-pressure cold spraying of copper-graphite solid lubricating coatings on aluminum alloy 7075-T651. Journal of Thermal Spray Technology, 2019, vol. 28, pp. 1688-1698.
16. Alidokht S.A., VoP., YueS., ChromikR.R. Cold spray deposition of Ni and WC-reinforced Ni matrix composite coatings. Journal of Thermal Spray Technology, 2017, vol. 26, pp. 1908-1921.
17. Fernandez R., JodoinB. Cold spray aluminum-alumina cermet coatings: effect of alumina content. Journal of Thermal Spray Technology, 2018, vol. 27, pp. 603-623.
18. GuoX.F., JiaL., LuZ.L., XingZ.G., XieH., KondohK. Preparation of Cu/QB composites with well-balanced mechanical properties and electrical conductivity by ex-situ powder metallurgy. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 17, pp. 1605-1615.
Article received 11.12.2023.
Corrections received 07.04.2024.
