Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия

А. В. Аборкин, доцент кафедры «Технология машиностроения», канд. техн. наук, доцент, эл. почта: aborkin@vlsu.ru

Методом высокоэнергетической механической обработки в планетарной мельнице синтезированы порошки на основе алюминиевого сплава АМг6, мультиармированные фуллеренами C60 и частицами нитрида алюминия AlN. Проведена их характеризация с использованием гранулометрического анализа, сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. Полученные порошки представляют собой сложную механическую смесь, состоящую из агломератов и свободных микроразмерных керамических частиц AlN. Продукты были использованы для холодного газодинамического напыления в условиях низкого давления при скоростях газового потока ~525 и 625 м/с. Изучено влияние скорости газового потока и содержания AlN в порошковой смеси на интенсивность роста и текстурообразование покрытий при напылении на подложку из стали. Показано, что скорость газового потока влияет на интенсивность роста покрытия в большей степени, чем содержание керамических частиц в порошковой смеси. Установлено, что повышение скорости газового потока с ~525 до ~625 м/с способствует увеличению интенсивности роста напыления в ~1,5–2,3 раза. Усиление степени деформации пластичных частиц матричного материала с ростом скорости столкновения при соударении с подложкой ведет к возникновению текстуры деформации покрытия. Получены количественные оценки влияния содержания AlN в порошковой смеси и скорости газового потока при напылении на долю переноса керамических частиц в покрытие. Высказано предположение, что напыление порошковых смесей при скорости газового потока ~525 м/с обеспечивает перенос в покрытие лишь керамических частиц, находящихся в составе агломератов. Свободные керамические частицы порошковой смеси при такой скорости газового потока, по всей видимости, в покрытии не закрепляются. Повышение скорости газового потока до ~625 м/с способствует переносу в покрытие не только керамических частиц, находящихся в составе агломератов, но и закреплению свободных керамических частиц порошковой смеси.

Работа выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FZUN-2024-0004, госзадание ВлГУ).

1. Al-Asadi M. M., Al-Tameem H. A. A review of tribological properties and deposition methods for selected hard protective coatings // Tribology International. 2022. Vol. 176. DOI: 10.1016/j.triboint.2022.107919
2. He L., Hassani M. A review of the mechanical and tribological behavior of cold spray metal matrix composites // Journal of Thermal Spray Technology. 2020. Vol. 29. P. 1565–1608.
3. Алешин Н. П., Коберник Н. В., Михеев Р. С., Ваганов В. Е. и др. Плазменно-порошковая наплавка антифрикционных покрытий из баббитовых сплавов, модифицированных углеродными нанотрубками // Вестник машиностроения. 2015. № 10. С. 67–72.
4. Михеев Р. С., Коберник Н. В., Калашников И. Е., Болотова Л. К., Кобелева Л. И. Триботехнические свойства антифрикционных покрытий на основе композиционных материалов // Перспективные материалы. 2015. № 3. С. 48–45.
5. Cui S., Miao Q., Liang W., Zhang Z. et al. Tribological behavior of plasma-sprayed Al2O3 – 20 wt.%TiO2 coating // Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. Vol. 26. P. 2086–2094.
6. Wood R. J. K., Lu P. Coatings and surface modification of alloys for tribo-corrosion applications // Coatings. 2024.Vol. 14. DOI: 10.3390/coatings14010099
7. Poza P., Garrido-Maneiro M. A. Cold-sprayed coatings: microstructure, mechanical properties, and wear behavior // Progress in Materials Science. 2022. Vol. 123. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2021.100839
8. Raoelison R. N., Verdy C., Liao H. Cold gas dynamic spray additive manufacturing today: Deposit possibilities, technological solutions and viable applications // Materials and Design. 2017. Vol. 133. P. 266–287.
9. Yin S., Cavaliere P., Aldwell B., Jenkins R. et al. Cold spray additive manufacturing and repair: Fundamentals and applications // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 21. P. 628–650.
10. Li W., Assadi H., Gaertner F., Yin S. A review of advanced composite and nanostructured coatings by solid-state cold spraying process // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2018. Vol. 44, No. 2. P. 109–156.
11. Wu J., Fang H., Kim H. J., Lee C. High speed impact behaviors of Al alloy particle onto mild steel substrate during kinetic deposition // Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 417, No. 1–2. P. 114–119.
12. Papyrin A. Cold spray technology // Advanced Materials and Processes. 2001. Vol. 159. P. 49–51.
13. Deev V., Prusov E., Rakhuba E. Physical methods of melt processing at production of aluminum alloys and composites: opportunities and prospects of application // Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. P. 655–660.
14. Vdovin K. N., Dubsky G. A., Deev V. B., Egorova L. G. et al. Influence of a magnetic field on structure formation during the crystallization and physicomechanical properties of aluminum alloys // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2019. Vol. 60, No. 3. P. 247–252.
15. Mangalarapu T. B., Kumar S., Ramakrishna M., Gandham P., Suresh K. Precipitation behavior of cold sprayed Al6061 coatings // Materialia (Oxf). 2022. Vol. 24. DOI: 10.2139/ssrn.4058078
16. Hodder K. J., Izadi H., McDonald A. G., Gerlich A. P. Fabrication of aluminum–alumina metal matrix composites via cold gas dynamic spraying at low pressure followed by friction stir processing // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 556. P. 114–121.
17. Sansoucy E., Marcoux P., Ajdelsztajn L., Jodoin B. Properties of SiC-reinforced aluminum alloy coatings produced by the cold gas dynamic spraying process // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202, No. 16. P. 3988–3996.
18. Huang C., List A., Wiehler L., Schulze M., Gärtner F., Klassen T. Cold spray deposition of graded Al – SiC composites // Additive Manufacturing. 2022. Vol. 59. DOI: 10.1016/j.addma.2022.103116
19. Zhao L., Tariq N. U., Ren Y., Liu H. et al. Effect of particle size on ceramic particle content in cold sprayed Al-based metal matrix composite coating // Journal of Thermal Spray Technology. 2022. Vol. 31. Р. 2505–2516.
20. Chesnokov A. E., Smirnov A. V., Klinkov S. V., Kosarev V. F. Preparation of the composite powder Al – B4C by ball milling for cold spray // Journal of Physics Conference Series. 2021. Vol. 1945. DOI: 10.1088/1742-6596/1945/1/012033
21. Balog M., Krizik P., Dvorak J., Bajana O. et al. Industrially fabricated in-situ Al-AlN metal matrix composites (part B): The mechanical, creep, and thermal properties // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 909. DOI: 10.2139/ssrn.4037191
22. Аборкин А. В., Алымов М. И., Архипов В. Е., Хренов Д. С. Формирование гетерогенных порошковых покрытий с двухуровневой микро- и нанокомпозиционной структурой в условиях газодинамического напыления // ДАН. 2018. Т. 478, № 6. С. 637–641.
23. Аборкин А. В., Алымов М. И., Киреев А. В., Собольков А. В., Архипов В. Е. Структура и эффективность газодинамического напыления гибридных покрытий на основе нанокрис таллической алюминиевой матрицы // Металлург. 2018. № 8. С. 73–77.
24. Евдокимов И. А., Перфилов С. А., Поздняков А. А., Бланк В. Д. и др. Наноструктурный композиционный материал на основе алюминий-магниевого сплава, модифицированный фуллереном С 60 // Физика и химия обработки материалов. 2017. № 1. C. 47–55.
25. Nam S., Lee S., Roh A., Son H. et al. Role of supersaturated Al – C phases in mechanical properties of Al/fullerene composites // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. DOI: 10.1038/s41598-021-92551-y
26. Геращенков Д. А. Разработка технологического процесса нанесения покрытий методом «холодного» газодинамического напыления на основе армированных порошков системы Al–Sn + Al2O3 : дис. … канд. тех. наук. – СПб., 2015. – 172 с.
27. Aborkin A., Babin D., Belyaev L., Bokaryov D. Enhancing the microhardness of coatings produced by cold gas dynamic spraying through multi-reinforcement with aluminum powders containing fullerenes and aluminum nitride // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023. Vol. 7, Iss. 6. DOI:10.3390/jmmp7060203

28. Popov V. X-ray micro-absorption enhancement for non-agglomerated nanodiamonds in mechanically alloyed aluminium matrix composites // Phys Status Solidi A. 2015. Vol. 212. P. 2722–2726.
29. Аборкин А. В., Хорьков К. С., Объедков А. М. и др. Эволюция многостенных углеродных нанотрубок и гибридных наноструктур на их основе в процессе получения алюмоматричных композиционных материалов // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45, Вып. 2. С. 22–25.