ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 621.793
DOI: 10.18503/1995-2732-2022-20-4-67-82
Аннотация
Идея композиционных материалов с металлической матрицей была реализована для облегчения нанесения хрупких материалов. Композиционные материалы представляют собой материал с по меньшей мере двумя составными частями, одна из которых представляет собой металл, а другая – другой металл или материал. Технологии производства композиционных материалов можно разделить на три типа: твердотельное, жидкое и паровое. В последние годы холодное газодинамическое напыление (ХГН) стало одним из мощных произ-водственных процессов для получения композиционных покрытий. Смешивание различных порошков и распы-ление их на подложке является широко применяемым методом. Из-за низкой температуры осаждения во время ХГН нет существенных реакций при распылении смесей композиционных порошковых материалов. Суще-ствуют и другие преимущества, такие как более низкое содержание кислорода и более высокая плотность полученного покрытия. Эти преимущества помогают уменьшить усадку при любой последующей термообработке. В случае применения двух металлов, образующих композиционный материал, термообработка после осаждения может привести к образованию интерметаллических соединений в контролируемой среде. В случае комбинации металла с твердыми частицами металл действует как матрица, позволяющая внедрять твердые частицы и в результате получать высокоплотные и функциональные покрытия. Композиционные покрытия могут осаждаться ХГН тремя различными способами: осаждение порошковых смесей, осаждение композиционных порошков, полученных агломерацией или механическим измельчением, и нанесение порошков с оболочкой или покрытием. Данное исследование сфокусировано на получении композиционного покрытия на основе меди методом ХГН. Медные покрытия используются в контейнерах для хранения опасных материалов из-за их хорошей коррозионной стойкости. Целями данных исследований являлось определение возможности нанесения медно-керамических покрытий на стальную подложку и оптимальное количество керамики в смеси, исследование свойств полученных покрытий, такие как твердость, содержание керамики, а также микроструктура покрытий.
Ключевые слова
холодное газодинамическое напыление, медь, карбид кремния, функциональные покрытия, сталь
Для цитирования
Исследование механических и технологических свойств покрытия медь-карбид кремния / Серебряков И.С., Латфулина Ю.С., Напримерова Е.Д., Мясоедов В.А., Самодурова М.Н. // Вестник Магнитогорского государ-ственного технического университета им. Г.И. Носова. 2022. Т. 20. №4. С. 67-82. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2022-20-4-67-82
1. Wang Q., Birbilis N. and Zhang M.X., On the for-mation of a diffusion bond from cold-spray coatings, Metall. Mater. Trans. A: Phys. Metall. Mater. Sci., 2012, 43, 1395-1399.
2. Lee M.S., Choi H.J., Choi J.W. and Kim H.J., Appli-cation of cold spray coating technique to an under-ground disposal copper canister and its corrosion properties, Nucl. Eng. Technol., 2011, 43, 557-566.
3. King P.C., Bae G., Zahiri S.H., Jahedi M. and Lee C., An experimental and finite element study of cold spray copper impact onto two aluminum substrates, J. Thermal Spray Technology, 2010, 19, 620-634.
4. Fukumoto M., Terada H., Mashiko M., Sato K., Yamada M. and Yamaguchi E., Deposition of copper fine particle by cold spray process, Mater. Trans., 2009, 50, 1482-1488.
5. Karthikeyan J. and Kay A., Cold spray processing of copper and copper alloys, Adv. Mater. Process., 2005, 163, 49.
6. Champagne V.K., Jr, Helfritch D., Leyman P., Gren-dahl S. and Klotz B., Interface material mixing formed by the deposition of copper on aluminum by means of the cold spray process, J. Thermal Spray Technology, 2005, 14, 330-334.
7. Li W.-Y., Zhang G., Zhang C., Elkedim O., Liao H. and Coddet C., Improvement of microstructure and property of cold sprayed Cu-4at.% Cr-2at.% Nb alloy by heat treatment, Scr. Mater., 2006, 55, 327-330.
8. Koivuluoto H., Coleman A., Murray K., Kearns M. and Vuoristo P., High pressure cold sprayed (HPCS) and low pressure cold sprayed (LPCS) coatings pre-pared from OFHC Cu Feedstock: overview from powder characteristics to coating properties, J. Ther-mal Spray Technology, 2012, 21, 1065-1075.
9. Koivuluoto H., Lagerbom J. and Vuoristo P., Micro-structural studies of cold sprayed copper, nickel, and nickel-30% copper coatings, J. Thermal Spray Tech-nology, 2007, 16, 488-497.
10. Fernandez R., MacDonald D., Nastic´ A., Jodoin B., Tieu A. and Vijay M. Enhancement and Prediction of Adhesion Strength of Copper Cold Spray Coatings on Steel Substrates for Nuclear Fuel Repository, J. Thermal Spray Technology (2016) 25: 1577-1587.
11. Klinkov S.V., Kosarev* V.F., Ryashin N.S. and Shikalov V.S. Experimental study of cold gas spray-ing through a mask. Part 1, Thermophysics and Aer-omechanics, 2016, vol. 23, no. 5.
12. Rastjagaev E., Wilde J., Wielage B., Grund T. and Kummel S., Development and testing of cold gas sprayed circuit boards for power electronics applica-tions, Proc. 7th Int. Conf. on Integrated power elec-tronics systems, Nuremberg, Germany, March 2012, IEEE Power Electronics Society, 154-159.
13. Marx S., Paul A., Kohler A. and Huttl G., Cold spray-ing: innovative layers for new applications, J. Ther-mal Spray Technology, 2006, 15, 177-183.
14. Grund W.T., Rupprecht C., Kuemmel S. and Wielage B. New method for producing power electronic circuit boards by cold-gas spraying and investigation of adhesion mechanisms, Surface & Coatings Technology, 2010, vol. 205, no. 4, pp. 1115-1118.
15. Nepochatov Yu., Deis G., Bogaev A. and Shkodkin A. Developing the technology for manufacturing metalplated substrates for power electronics units, Sovremennaya Electronika,. 2010, no. 9, pp. 12-15.
16. Ernst K.-R., Braeutigam J., Gaertner F. and Klassen T. Effect of substrate temperature on cold-gas-sprayed coatings on ceramic substrates, J. Thermal Spray Technology, 2013, vol. 22, no. 2-3, pp. 422-432.
17. Donner K.-R., Gaertner F. and Klassen T. Metalliza-tion of thin Al2O3 layers in power electronics using cold gas spraying, J. Thermal Spray Technology, 2011, vol. 20, no. 1-2, pp. 299-306.
18. Boyle C.H. and Meguid S.A. Mechanical Perfor-mance of Integrally Bonded Copper Coatings for the Long Term Disposal of Used Nuclear Fuel, Nucl. Eng. Des., 2015, 293, pp. 403-412.
19. Keech P.G., Vo P., Ramamurthy S., Chen J., Jacklin R. and Shoesmith D.W. Design and Development of Copper Coatings for Long Term Storage of Used Nu-clear Fuel, Corros. Eng. Sci. Technol., 2014, 49(6), pp. 425-430.
20. Nuclear Waste Management Organization, Prelimi-nary Assessment for Siting a Deep Geological Re-pository for Canada’s Used Nuclear Fuel: The corpo-ration of the town of Blind River, Ontario, Toronto, ON, 2014.
21. Irissou E., Vo D.P.P., Keech P. and Legoux J.G. Cold Sprayed Corrosion Protection Coating for Nuclear Waste Repository Canister, in North American Cold Spray Conference, 2012.
22. Fukumoto M., Wada H., Tanabe K., Yamada M., Yamaguchi E., Niwa A., Sugimoto M. and Izawa M. Effect of Substrate Temperature on Deposition Be-havior of Copper Particles on Substrate Surfaces in the Cold Spray Process, J. Thermal Spray Technolo-gy, 2007, 16(5-6), pp. 643-650.
23. Huang R., Ma W. and Fukanuma H. Development of Ultra-Strong Adhesive Strength Coatings Using Cold Spray, Surf. Coatings Technol., 2014, 258, pp. 832-841.
24. Jakupi P., Keech P.G., Barker I., Ramamurthy S., Jacklin R.L., Shoesmith D.W. and Moser D.E. Char-acterization of Commercially Cold Sprayed Copper Coatings and Determination of the Effects of Impacting Copper Powder Velocities, J. Nucl. Mater., 2015, 466, pp. 1-11.
25. Partovi-Nia R., Ramamurthy S., Zagidulin D., Chen J., Jacklin R., Keech P. and Shoesmith D.W. Corrosion of Cold Spray Deposited Copper Coating on Steel Sub-strates, Corrosion, 2015, 71(10), pp. 1237-1247.
26. Standish T., Chen J., Jacklin R., Jakupi P., Rama-murthy S., Zagidulin D., Keech P. and Shoesmith D. Corrosion of Copper-Coated Steel High Level Nuclear Waste Containers Under Permanent Disposal Con-ditions, Electrochim, Acta, 2016.
27. Maev E.R.G., Leshchynsky V., Strumban E. and Dzhurinskiy D. Influence of Grit Blasting on the In-terface Roughness and Adhesion Strength of Cold Sprayed Copper Coatings, in Thermal Spray 2015: Proceedings from the International Thermal Spray Conference and Exposition, 2015, pp. 493-497.
28. Maev R.G., Leshchynsky V., Strumban E., Dzhu-rinskiy D., Kocimski J. and Maeva E. Structure and Mechanical Properties of Thick Copper Coating Made by Cold Spray, J. Thermal Spray Technology, 2016, 25(1), pp. 113-122.
29. Choi H.-J., Lee M. and Lee J.Y. Application of a cold SprayTechnique to the Fabrication of a Copper Canister for the Geological Disposal of CANDU Spent Fuels, Nucl. Eng. Des., 2010, 240(10), pp. 2714-2720.
30. DOE/RW-0576, 2005. Science and Technology Pro-gram Plan. DOE, USA.
31. Borchers C., Gartner F., Stoltenhoff T., Assadi H., Kreye H., Gartner F., Stoltenhoff T., Assadi H. and Kreye H. Microstructural and Macroscopic Properties of Cold Sprayed Copper Coatings, J. Appl. Phys., 2003.
32. Fukanuma H., Ohno N., Toda/JPN A study of adhe-sive strength of cold spray coatings, Thermal Spray 2004: Advances in Technology and Applications (ASM International), 2004.
33. Renzhong Huang, Wenhua Ma, Hirotaka Fukanuma, Development of ultra-strong adhesive strength coat-ings using cold spray, Surface & Coatings Technolo-gy, 2014.
34. Masahiro Fukumoto, Hiroki Teradal, Masahiro Ma-shiko, Kazunori Sato, Motohiro Yamada and Eiji Yamaguchi, Deposition of Copper Fine Particle by Cold Spray Process, Materials Transactions, vol. 50, no. 6, 2009.
35. XIE Jing, Nelias Daniel, Walter-Le Berre Hélène, Ichikawa Yuji, Ogawa Kazuhiro, Numerical simula-tion of the cold spray deposition process for alumini-um and copper, Proceedings of the ASME 2012 11th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis ESDA2012 July 2-4, 2012.