Спосіб нанесення дифузійних покриттів

Реферат: Спосіб нанесення дифузійних покриттів на основі хрому та алюмінію, що включає завантаження в реакційну камеру насичуючої суміші, яка складається з порошків хрому, алюмінію, оксиду алюмінію та хлористого амонію. Потім здійснюють вакуумування, нагрівання та ізотермічну витримку з подальшим охолодженням. Процес хромоалітування проводять після нанесення на поверхню виробу шару нітриду титану методом фізичного осадження. Після чого проводять випробування на жаростійкість. UA 81814 U (12) UA 81814 U UA 81814 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі хіміко-термічної обробки та знайшла широке застосування у машинобудуванні та приладобудуванні за рахунок підвищення експлуатаційних характеристик виробів. Відомий спосіб нанесення дифузійних покриттів на поверхню виробів, що включає хромоалітування в порошковій суміші, наступну термовакуумну обробку шляхом гартування, напилення шару кераміки ZrO2-8Y2O3 на вхідні кромки лопаток електронно-променевим методом та дифузійний відпал для кінцевого формування структури покриття. Перед дифузійним відпалом на шар кераміки ZrO2-8Y2O3 електронно-променевим методом наносять шар кераміки ZrO2-11Y2O3-40Аl2О3 товщиною 10-15 мкм. Дифузійний відпал проводять з формуванням структури покриття на вхідних кромках лопаток, які складаються з [ZrO2-11Y2O340Аl2О3] - (ZrO2-8V2O3) - β' - фази і яка переходить в β+γ' - фазу на інших ділянках лопатки. Технічний результат полягає в підвищенні довговічності і надійності лопаток турбін 2 ил. (Пат. 2349679 Российская Федерация, МПК С23С14/30, С23С10/56, С23С28/00. Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на лопатки турбин ГТД/ Панков В.П., Коломыцев П.Т., Панков Д.В.; заявитель и патентообладатель Панков В.П., Коломыцев П.Т., Панков Д.В. № 2007119212/02; заявл. 23.05.2007; опубл. 20.03.2009, Бюл. № 23.-3 с). Недоліком даного способу є необхідність проведення наступних додаткових технологічних операцій, як нанесення ZrO2-8Y2O3 на вхідні кромки лопаток електронно-променевим методом і дифузійний відпал для кінцевого формування структури покриття, що суттєво підвищує вартість та трудомісткість одиниці продукції, і не сприяє підвищенню жаростійкості на поверхні. Відомий спосіб нанесення дифузійних покриттів на поверхню виробів полягає в тому, що спосіб нанесення захисного покриття на деталі із нікелевих сплавів, який включає нанесення шару на нікелевий сплав, хромоалітування, електронно-променеве напилення керамічного шару і відпал, після нанесення шару на нікелевий сплав проводять високотемпературну термомеханічну обробку деталей наклепом в контейнері протягом 30-35 хвилин при амплітуді коливання контейнеру з деталями 1-2,5 мм і температурі 880-900 °C, хромоалітування проводять в порошковій суміші на основі оксиду алюмінію, а в якості керамічного шару напилюють шар ZrO2-8Y2O3. (Пат. 2375497 Российская Федерация, МПК С23С28/00. Способ нанесения защитного покрітия на детали из никелевіх сплавов/ Панков В.П., Коломыцев П.Т., Ковалев В.Д., Панков Д.В., Соболев И.А., Копылов Г.А., Шевчук А.В.; заявитель и патентообладатель Панков В.П., Коломыцев П.Т., Ковалев В.Д., Панков Д.В., Соболев И.А., Копылов Г.А., Шевчук А.В. - № 2008121068/02; заявл. 26.05.2008; опубл. 26.05.2008, Бюл. № 7.4 с). Недоліком даного способу є необхідність проведення додаткової високотемпературної термомеханічної обробки тиском, а також електронно-променевого напилення термостійкого шару на основі ZrO2-8Y2O3 і не сприяє підвищенню жаростійкості. Відомий спосіб нанесення дифузійних покриттів на поверхню виробів, що реалізується шляхом нанесення комбінованого жаростійкого покриття на лопатки турбін включає: хромоалітування у вакуумі в порошковій суміші, термовакуумну обробку, після чого проводять вакуум - плазмове напилення на вхідні кромки лопаток шару, який містить алюміній, та наступний відпал для кінцевого формування покриття. Отриманий шар має структуру (3 - фази на вхідній кромці з концентрацією алюмінію 22,5-24,0 % з переходом в β+γ' - фазу на інших ділянках лопаток з концентрацією алюмінію 16-18 %. Ділянки деталі, які працюють при декілька низьких температурах, із уявлень про опір розтріскуванню мають покриття порівняно невеликої товщини, зі структурою β+γ' - фаз, які забезпечують значні стискувальні напруження в покритті. А ділянки деталі, які піддаються інтенсивному високотемпературному окисленню, найбільш сильно нагріті. Пластичність покриття з високою концентрацією алюмінію в таких умовах достатньо висока. На таких ділянках цілеспрямовано мати більш товсте покриття з підвищеним вмістом алюмінію, що забезпечується напиленням вакуум- плазмовим способом. (Пат. 2145363 Российская Федерация, МПК С23С28/02. Способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия/ Панков В.П.; Ковалев В.Д.; Коломыцев П.Т.; заявитель и патентообладатель Ставропольское высшее авиационное инженерное училище ПВО им. Маршала авиации В.А. Судца - № 96100482/02; заявл. 10.01.1996; опубл. 10.02.2000, Бюл. № 5.-4 с). Недоліком зазначеного способу с необхідність нанесення покриття у вакуумі шляхом вакуум - плазмового напилення, що передбачає використання складного обладнання та неможливість використання такого способу для промислового використання. Найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається є спосіб нанесення хромоалітованих покриттів, який включає завантаження виробів в контейнер з насичуючою сумішшю, яка складається з порошку хрому, алюмінію, оксиду алюмінію Аl2О3 в якості інертної засипки, яка попереджує спікання насичуючої суміші та активатору хлористого амонію NH4Cl. 1 UA 81814 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Нагрів до температур 1000-1100 °C з ізотермічною витримкою протягом 2-6 годин та наступним охолодженням на повітрі (П.Т. Коломыцев Жаростойкие диффузионные покрытия. -М.: "Металлургия", 1979, 272 с. С. 130-138). Недоліком цього способу є утворення на поверхні дифузійного шару на поверхні виробів з невисокою жаростійкістю, яка зумовлена деградацією покриття, що призведе до малого терміну роботи виробу при високих температурах. В основу корисної моделі "Спосіб нанесення дифузійних покриттів" поставлено задачу по розробці способу нанесення покриття, що забезпечує отримання жаростійких шарів, які мають високу стабільність при високих температурах окислення. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб здійснюється наступним чином на поверхню виробів з нержавіючої сталі 12 × 18Н10Т наноситься покриття з нітриду титану, товщиною 5,06,0 мкм, методом фізичного осадження. Для нанесення покриття використали установку ВУ1 Б. Час осадження становив 20 хв; температура підкладки на початку процесу складала 560-600 °C, -2 в кінці - 200-300 °C; тиск в реакційному просторі становив 2,510 Па; опірна напруга - 150 В; струм дуги - 100 А. Оброблені таким методом вироби підлягали процесу хромоалітування при температурі 1000-1100 °C впродовж 2-6 годин в контейнері з плавким затвором (де в якості ізолюючої речовини використовували силікат глибу) розміщеним в вакуумній камері з залишковим тиском 3 4 10 -10 Па. Насичення здійснюється контактним способом, де які насичуючу суміш використовували наступні порошки: 46 % Сr+10 % Аl+4 % NH4CI+40 % АІ2О3. Після закінчення процесу нанесення покриттів виріб з ретортою та контейнером охолоджують до кімнатної температури. При визначенні жаростійкості покриттів використовували ваговий метод, який дозволяє фіксувати зміни маси зразків після процесу нагріву, ізотермічної витримки з подальшим охолодженням. Застосований метод базується на порівнянні маси зразків до та після випробувань при високих температурах для отримання даних згідно яких і визначаються властивості покриття, що досліджується. Випробування на жаростійкість вихідної сталі та сталі з покриттями здійснювали при температурі 900 °C з витримкою 100 годин. Зразки, попередньо знежирювали 96 % розчином спирту, зважували на аналітичних вагах, які контролюють зміну маси до п'ятого знаку та розташовували в алундових тиглях попередньо відпалених та знежирених. Температуру печі контролювали за допомогою термопари. Для експериментального підтвердження заявленого технічного рішення були оброблені вироби з нержавіючої сталі за технологічними схемами способу - найближчого аналогу та заявленого способу. На поверхні виробів з нержавіючої сталі з попередньо нанесеним нітридом титану на зовнішній стороні дифузійної зони з'являється зона сполук, яка складається з фаз Аl (Fe, Cr), Al (Fe, Ni), TiN а на внутрішній зона твердого розчину Feα (Al, Cr, Ni). Після окислення формується багатошарове покриття з різним фазовим складом: окалина Аl2О3, зона внутрішнього окислення - твердий розчин Feα (Al, Cr, Ni) з оксидами і твердий розчин Feα (Al, Cr, Ni) з (Ni, Fe)3Al і оксиди, бар'єрний шар TiN та перехідна зона Feα (Al, Cr, Ni) з (Ni, Fe)3Al. Приклади досліджень запропонованого способу представлені в таблиці. При температурі нанесення покриттів нижче ніж 1000 °C та часу ізотермічної витримки менше 2 години покриття отримуємо малої товщини. Збільшення температури насичення вище за 1100 °C та підвищення часу витримки більше 6 годин призведе до відшарування та оплавлення покриття та значних витрат електричної енергії. Запропонований спосіб нанесення хромоалітованих покриттів не складний з технологічної точки зору, вибухобезпечний, не потребує багато вартісного обладнання та висококваліфікованого обслуговуючого персоналу, екологічно чистий. 2 UA 81814 U Таблиця Фазовий склад та властивості дифузійних покриттів Температура та Час Фазовий склад ТемпераТовщина час ЖаросВид матеріалу та витримпокриття до № тура шару, випробування на тійкість, процес обробки ки, випробувань на 2 процесу, °C мкм жаростійкість, г/м години жаростійкість °C; години Al(Fe, Cr) 20,0 12 × 18Н10Т після 1 хромоалітування 1000 2 Al(Fe, Ni) 23,0 900; 100 2,0 (прототип) Feα(Al, Cr, Ni) 95,0 Al(Fe, Cr) 27,0 12 × 18Н10Т після 2 хромоалітування 1050 4 Al(Fe, Ni) 30,5 900; 100 2,3 (прототип) Feα(Al, Cr, Ni) 115,5 Al(Fe, Cr) 35,0 12 × 18Н10Т після 3 хромоалітування 1100 6 Al(Fe, Ni) 42,0 900; 100 2,61 (прототип) Feα(Al, Cr, Ni) 130,0 12 × 18Н10Т з Al(Fe, Cr) 4,5 попередньо Al(Fe, Ni) 8,5 4 нанесеним шаром 1000 2 900;100 0,8 TiN 5,0-6,0 TiN після Feα(Al, Cr, Ni) 56,0 хромоалітування 12 × 18Н10Т з Al(Fe, Cr) 7,5 попередньо Al(Fe, Ni) 12,5 5 нанесеним шаром 1050 4 900;100 1,2 TiN 5,5-6,5 TiN після Feα(Al, Cr, Ni) 70,0 хромоалітування 12 × 18Н10Т з Al(Fe, Cr) 10,5 попередньо Al(Fe, Ni) 17,5 6 нанесеним шаром 1100 6 900;100 1,5 TiN 5,0-6,0 TiN після Feα(Al, Cr, Ni) 85,0 хромоалітування ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб нанесення дифузійних покриттів на основі хрому та алюмінію, що включає завантаження в реакційну камеру насичуючої суміші, яка складається з порошків хрому, алюмінію, оксиду 3 4 алюмінію та хлористого амонію та вакуумування останньої до тиску 10 -10 Па., нагрів 10001100 °C та ізотермічну витримку протягом 2-6 годин з подальшим охолодженням, який відрізняється тим, що процес хромоалітування проводять після нанесення на поверхню виробу шару нітриду титану методом фізичного осадження, після чого проводять випробування на жаростійкість. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3