Термостійке покриття і спосіб його одержання

1. Термостійке покриття з твердого вуглецев C2 2 (19) 1 3 го струму на поверхню. Вказане покриття відзначається високим рівнем адгезії до робочої поверхні металу. Однак, при нагріванні нижньої робочої поверхні сопла в область температур >300°С, що характерно для зварювання в середовищі захисних газів СО2+Ar, до нижньої робочої поверхні сопла налипають бризки розплавленого металу. Внаслідок налипання бризок та їх наступної адгезії на нижньому торцевому участку сопел утворюється удільне кільцевидне тіло, яке заважає захисту розплаву ванни від атмосферних газів, внаслідок чого в металі шва утворюються пори, газові та шлакові включення. Відоме термостійке покриття на основі карбідів [Патент Японії, № 2943895, 6С 23С 28/04], яке має перехідний шар з карбідом вольфраму та металами групи заліза, а також тверду фазу з двома чи більшим числом з'єднань з групи карбідів, нітридів або карбонітридів елементів груп 4а, 5а, 6а. Тверда фаза покриття вміщує одночасно карбіди, нітриди чи карбонітриди цирконію або гафнію і титану. Один або декілька поверхневих шарів покриття вміщують карбіди, нітриди, оксиди та боріди елементів груп 4а, 5а, 6а та оксид алюмінію. Однак, при зварювальному нагріванні відомого покриття в область температур >300°С, покриття руйнується і його частки відокремлюються від поверхні сопел, що зумовлює відносно невеликий термін служби покриття. Відоме термостійке покриття [Патент України №65027, В23К 35/36] з твердого вуглецевомісткого матеріалу, яке виконано двошаровим, при цьому перший перехідний шар крім матеріалу поверхні містить вуглець і кремній, а другий зовнішній шар являє собою карбід кремнію чи легований карбід кремнію. Спосіб одержання вказаного термостійкого покриття включає попередню обробку поверхні, її орієнтацію щодо падаючого потоку часток і наступне осадження потоку часток іонів вуглецю та іонів кремнію протягом часу, необхідного для одержання покриття заданої товщини. Однак відомий склад покриття при багаторазовому механічному видаленні налипших бризок (понад 150 операцій) вказані бризки відриваються разом з частками покриття, що зумовлює його пошкодження та поступове руйнування. Таким чином, порушення суцільності покриття сприяє підвищенню інтенсивності приварювання бризок розплавленого металу до робочої поверхні сопел, що зумовлює зменшення терміну їх експлуатації, а також сприяє утворенню в металі шва неметалевих включень. Наявність таких включень сприяє утворенню в металі шва мікротріщин при довготривалій експлуатації зварних з'єднань в умовах повзучості. Як прототип нами обраний останній з аналогів. В основу дійсного винаходу поставлена задача розробки термостійкого покриття та способу його одержання, що забезпечило б високі міцністні характеристики та збільшення терміну експлуатації сопел, за рахунок підвищення рівня адгезії покриття до робочих поверхонь, збільшення опору його руйнуванню при вилученні прилиплих бризок, 93108 4 зниження інтенсивності налипання самих бризок, зменшення у металі шва неметалевих включень. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що у термостійкому покритті з твердого вуглецево-місткого матеріалу виконаного двошаровим, перший перехідний шар крім матеріалу поверхні додатково містить кремній, а другий зовнішній шар являє собою карбід кремнію чи легований карбід кремнію, відповідно до винаходу, перший перехідний шар додатково містить титан 3-10%, а другий зовнішній шар являє собою суміш карбіду кремнію (80-60%) та карбіду титану (залишкове). Рішення поставленої задачі забезпечується і тим, що в способі одержання термостійкого покриття, який включає попередню обробку поверхні, її орієнтацію щодо падаючого потоку часток, осадження потоку часток іонів вуглецю та кремнію протягом часу, необхідного для одержання покриття заданої товщини, відповідно до винаходу, формування першого перехідного шару ведуть осадженням потоку часток іонів, в який додатково вводять іони титану в кількості 3-10%, після формування першого перехідного шару у зазначеному потоці часток іонів вуглецю, титану та іонів кремнію збільшують вміст іонів титану до 20-40% від загальної кількості іонів. Введення в потік осаджуємих іонів вуглецю та кремнію, іонів титану, забезпечує одержання перехідного шару, що складається з атомів міді, кремнію, вуглецю та титану, які переходять у плівку суміші карбіду кремнію та карбіду титану. У результаті одержують суцільну механічну суміш, яка характеризується більш сильними зв'язками між атомами Сu, С, Si, Ті та плівки із суміші карбідів кремнію та титану, що зумовлює високі фізикохімічні та механічні властивості покриття. Завдяки цьому до одержаного високоміцного термостійкого покриття майже не прилипають бризки, а ті, що прилипають, легко відокремлюються, не порушуючи його суцільності. Прилипання бризок до робочої поверхні захисного покриття забезпечується тільки капілярними силами і тому сила його адгезії є незначною. Такі прилиплі бризки можуть відокремлюватися з робочої поверхні продувкою сопел стисненим повітрям. Експериментально встановлено, що при введенні в осаджуваний потік іонів титану в кількості менш за 3% або більш за 10% порушується когерентність першого перехідного та другого зовнішнього шарів, а також погіршує адгезію до поверхні сопел, що зумовлює підвищення його пошкоджуваності в процесі експлуатації. Наявність у другому зовнішньому шарі карбідів титану в кількості 20-40% зумовлене когерентністю між кристалічними ґратками карбідів титану та кремнію з однієї сторони, та атомами титану та кремнію, які входять до складу першого перехідного шару - з другої. Зниження ступеня когерентності між кристалічними ґратками викликає відшарування зовнішнього шару. При введенні карбідів титану в кількості більш за 40% деформаційна здатність ґратки в умовах експлуатації буде знижуватися, що зумовлює утворення в покритті мікротріщин, які викликають прискорення його руйнування. 5 93108 При експлуатації сопла нагріваються до температури >350°С. Це сприяє вварюванню у їх поверхню бризок розплавленого металу, температура яких 1800-1900°С. Введення карбідів кремнію та титану забезпечує зниження механічних напруг у зовнішнім шарі покриття, що значно підвищує термостійкість та міцність самого покриття, сформованого при відносно низьких температурах в процесі осадження. Зменшення механічних напруг підвищує рівень адгезії плівок до підкладки, що дозволяє витримати їм більш високі механічні і термічні навантаження при температурах >350°С, а також значно підвищити термін напрацювання плівок. 6 Матеріалом підкладки є мідь, тому на її поверхні не утворюються хімічні сполуки з елементами плівки - вуглецем (карбіди) і кремнієм (силіциди). Для підвищення рівня адгезії плівки легованого карбіду кремнію з мідною підкладкою спочатку формують перехідний шар. Перехідний шар формують шляхом перемішування атомів підкладки і плівки при взаємодії потоку іонів вуглецю, кремнію та титану з атомами міді (підкладка). При цьому частково утворюються хімічні з'єднання (силіциди і карбіди) завдяки взаємодії гарячих "атомів", що не утворюються при звичайних умовах. Термостійкість запропонованого покриття відповідає 2200-2300°С Таблиця Тривалість експлуатації сопел з термостійкими покриттями Вид покриття Запропоноване покриття Пат. України №65027 (прототип) Пат. Японії №2943895 (аналог) Термін безперервного напрацювання, год (до зачистки від бризок). 5 4,5 3,5 Як видно з табл. запропоноване покриття характеризується значно збільшеним ресурсом напрацювання, що в свою чергу, зумовлює зниження собівартості виготовляємих зварних з'єднань. Запропоноване захисне покриття збільшує термін служби сопел у 1,5-3,5 рази порівняно з відомими. Приклад. Одержання термостійкого покриття з комплексно легованого карбіду кремнію. Робочу поверхню мідного сопла очищають у вакуумі (10-310-4Па) іонним травленням пучком іонів Аr з енергією 1000 еВ і щільністю струму іонів 1 мА/см2. Час очищення триває 10-15 хв. На очищену поверхню сопла направляють пучок іонів вуглецю, кремнію і титану з енергією 100 еВ та щільністю струму 5 мА/см2. Через 10 хв. осадження енергію іонів знижують до 150 еВ і включають додаткове джерело легуючої домішки Ті. Потім, після 25 хв. осадження процес зупиняють. Таким чином отримують сопло покрите захисним термостійким покриттям на основі легованого Ті карбіду кремнію, товщиною близько 3,5 мкм. Виконували автоматичне зварювання зразків з конструкційних сталей товщиною 30-70 мм з Vобразною і щілинною обробкою кромок у вуглецевокислому газі на режимах: Ізв.= 300-400А; Uд= 2830В; Vзв.= 20-30 м/г, Vп.е.пр = 210-285 м/г. Температура нагрівання сопла в процесі зварювання досягала 330°С. Експериментально встановлено, що при використанні запропонованого термостійкого покриття, приварювання бризок розплавленого металу до поверхонь сопел відсутнє (при сумарній тривалос Загальний термін напрацювання, год. 1800 968 500 ті зварювання 40 годин.). Приварювання бризок до поверхонь сопел з запропонованим покриттям відбувається тільки після 350-370 операцій їх механічного видалення, тобто коли з'являються пошкодження суцільності запропонованого термостійкого покриття. Механічне видалення налиплих бризок розплавленого металу для запобігання руйнуванню покриття проводять за допомогою алюмінієвих чи мідних шкребків. Приварювання бризок розплавленого металу до поверхні з термостійким покриттям у прототипі відбувається після 210-220 операцій видалення налиплих бризок. Доцільним є використовування сопел з запропонованим покриттям у пальниках зварювальних роботів, автоматів і напівавтоматів при зварюванні в захисних газах конструкцій середніх і великих товщин із теплостійких сталей, особливо в глибокі V-образні та щілинні обробки кромок. Запропоновані покриття сопел опробувані при механізованому зварюванні конструкцій із теплостійких сталей енергетичного обладнання в середовищі захисних газів на Харківському турбінному заводі. Продуктивність процесу зварювання при використовуванні сопел із запропонованим покриттям виросла на 7-9%. Загальний ресурс напрацювання сопел із запропонованим захисним покриттям збільшився в 1,5-3,5 разів. При використовуванні сопел із запропонованим захисним покриттям, внаслідок зменшення їх забризкування, значно підвищилась стабільність процесу зварювання і зменшилась кількість вихідних дефектів у зварних з'єднаннях. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 93108 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601