Спосіб нанесення дифузійних покриттів

Реферат: Спосіб нанесення дифузійних покриттів на основі алюмінію, хрому включає завантаження виробів в контейнер з насичуючою сумішшю із плавким затвором. Хлорид амонію вакуумують 3 4 до тиску 10 -10 Па, контейнер нагрівають до температури 1050 °C та проводять ізотермічну витримку протягом 4 годин з подальшим охолодженням. UA 94907 U (12) UA 94907 U UA 94907 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі хіміко-термічної обробки виробів та знайшла широке застосування у машинобудуванні та приладобудуванні за рахунок підвищення експлуатаційних характеристик виробів. Відомий спосіб нанесення комбінованого покриття переважно на деталі з жароміцних сплавів з внутрішніми каналами, що включає нанесення на зовнішні і внутрішні поверхні деталей дифузійного алюмінідного покриття в циркулюючому газовому середовищі по малоактивному механізму відносно реакційних поверхонь Fн/Fo=0,3-0,7, де Fн - сумарна поверхня деталей, на які наноситься покриття, Fo - сумарна поверхня насичуючої суміші. Потім іонно-плазмовим методом або електронно-променевим випаровуванням у вакуумі на зовнішні поверхні деталей наносять плакуюче покриття MeCrAlY, де Me-Ni, Co, NiCo. [1] Недоліком даного способу є необхідність проведення таких складних технологічних операцій, як іонно-плазмова або електронно-променева обробка, що вимагає дорогого обладнання та кваліфікованого персоналу, для його обслуговування, та є неможливим для промислового використання. Відомий спосіб алітування виробів, що включає нагрів і витримку виробів при температурі нагрівання з використанням суміші, що містить порошок алюмінію і амоній хлористий, який відрізняється тим, що вироби попередньо нагрівають до 150-200 °C, потім на поверхні виробів шаром товщиною 0,9-1,5 мм наносять суміш у вигляді суспензії, витримують вироби при цій температурі до повного висихання суспензії, далі нагрівають вироби до 860-900 °C і витримують при цій температурі 2,5-3,5 год., при цьому суміш додатково містить етилсилікат при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: дрібнодисперсний алюміній - 40-41, амоній хлористий - 0,51, етилсилікат - 58-59. [2] Недоліком даного способу є необхідність проведення попередньої технологічної операції нагріву виробів до 150-200 °C, що збільшує час обробки та трудомісткість процесу, а також недостатньо високу якість одержуваного покриття. Відомий спосіб захисту від високотемпературного окислення поверхні внутрішньої порожнини охолоджуваних лопаток турбін з безвуглецевих жароміцних сплавів на основі нікелю, що включає насичення поверхні внутрішньої порожнини лопатки вуглецем зі ступенем 2 насичення від 1,5 до 8 г/м шляхом заповнення внутрішньої порожнини лопатки порошковою сумішшю або газовим середовищем, нагріву і витримки лопатки із заповненою внутрішньою порожниною і подальше нанесення дифузійного алюмінідного покриття зі ступенем насичення 2 від 15 до 60 г/м . [3] Недоліком даного способу є необхідність проведення трьох послідовних технологічних операцій, перша з яких вимагає наявності вуглецевмісного газового середовища і є довготривалою, проміжна гідроабразивна обробка потребує наявності додаткового обладнання, а заключне алітування або хромоалітування високозатратне щодо вихідних матеріалів. Відомий спосіб отримання дифузійного хромованого покриття на залізовуглецевих сплавах, що включає нанесення на поверхню хімічного покриття з наступним дифузійним хромуванням в порошковому середовищі, що відрізняється тим, що, з метою підвищення зносостійкості за рахунок підвищення пластичності хромованого покриття, як хімічне покриття наносять нікелькобальтфосфорне покриття товщиною 5-8 мкм, а дифузійне хромування проводять при 950-1100 °C. [4] Недоліком даного способу є необхідність проведення додаткових технологічних операцій, що суттєво підвищує вартість та трудомісткість одиниці продукції, і не сприяє підвищенню жаростійкості поверхні. Відомий спосіб дифузійного нікелювання металевих матеріалів у псевдозрідженому шарі, що включає нагрів, насичення в суміші з нікельвмісним компонентом - окисом нікелю та додаванням корунду, мас. %: окис нікелю 0,001-10, корунд 90-99,999. Нагрів здійснюють в атмосфері аміаку, причому в процесі нагрівання при температурі насичення суміші 350-450 °C здійснюють витримку протягом 5-25 хв., після чого газоподібні продукти відкачують до тиску 0,95 ат.[5] Недоліком даного способу є утворення на поверхні дифузійного шару на поверхні виробів малої товщини, що зменшує працездатність виробів. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб дифузійного хромонікелювання сталевих деталей, який включає завантаження виробів в контейнер з насичуючою сумішшю, яка складається з порошку хлористого амонію, хрому, окису алюмінію та закису нікелю при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: порошок хрому 45-50 %, закис нікелю 1-5 %, хлористий амоній 4-6 %, окис алюмінію решта. Процес хромонікелювання проводять в контейнері з плавким затвором при 1100 °C протягом 1,5 годин. Після витримки контейнер охолоджують на повітрі. [6] 1 UA 94907 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліком цього способу є утворення на поверхні дифузійного шару на поверхні виробів малої товщини, яка зумовлена деградацією покриття, що призведе до короткотривалого терміну роботи виробу при високих температурах. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалити спосіб нанесення дифузійного алюмохромонікелевого покриття, що має підвищену мікротвердість та є стійким щодо дії високотемпературного окислення. Новим є те, що до складу покриття входять структурні складові за участю нікелю. Джерелом нікелю в процесі алюмохромонікелювання виступає хлорид нікелю NiCl2. Спосіб здійснюється наступним чином: на поверхню виробів з титанового сплаву ВТ6 газофазним методом наносять покриття з порошкової суміші наступного складу %мас: (40 алюмінію+28 хрому+24 інертної речовини Аl2О3+4,0 активатора NH4Cl+4,0 активатора NiCl2). 3 4 Хлорид амонію вакуумують до тиску 10 -10 Па. Процес ведуть в умовах зниженого тиску при температурі 1050 °C, час витримки - 4 години. Після закінчення процесу нанесення покриттів, виріб з ретортою та контейнером охолоджують до кімнатної температури. Відповідно до результатів рентгеноструктурного аналізу основа шару, що отримують, відповідає фазі типу Аl3Ті з періодом ґратки а=0,38460 нм, с=0,85051 нм. Мікрорентгеноспектрально встановлено, що кількість алюмінію в фазі Аl 3Ті по перерізу покриття змінюється від 73,0 % ат., на поверхні, до 63,5 % ат. на границі поділу покриття-матриця. Кількість хрому, титану, ванадію майже не змінюється і складає 8,8-8,5 % ат; 17,0-17,9 % ат.; 0,9-0,5 % ат., відповідно. Дані про розподіл елементів по товщині покриттів, отримані в результаті переміщення мікрозонда в напрямку від відстані 500 мкм вглиб матриці до поверхні дифузійного шару наведені на (фіг. 1 Розподіл елементів по перерізу дифузійного шару отриманого комплексним алюмохромонікелюванням титанового сплаву ВТ6). В покритті присутні окремі включення на основі алюмінію з підвищеним вмістом нікелю (до 7,8 % ат.) і хрому (до 15,5 % ат.) та незначною кількістю титану (до 1,1 % ат.). Відповідно до наведених даних хімічного складу дану сполуку можна ідентифікувати як фазу СrАl 4, в якій частина хрому заміщена нікелем та титаном. Утворення нікелю в атомарному стані можливе за рахунок протікання в реакційному просторі наступних реакцій: + NiCl2+Al→AlCl2+Ni + NiCl2+Ti→TiCl2+Ni Хлорид нікелю здатен до сублімації при Т=980 °C, при чому можливе протікання реакцій з Ті та Аl основи та насичуючої суміші. Реакції NiCl2+Ме(Аl, Ті) протікають з утворенням атомарного нікелю і хлоридів титану та алюмінію. Відповідно до наведених даних хімічного складу дану сполуку можна ідентифікувати як фазу СrАl4, в якій частина хрому заміщена нікелем та титаном. Згідно з діаграмою стану Ni-Al-Cr, дана сполука розпадається при температурі 1030 °C з утворенням рідкої фази та сполуки Аl9Сr4. При температурах насичення в певних ділянках покриття реалізується рідкофазний стан з вмістом хрому біля 20 %ат. В процесі охолодження від температур хіміко-термічної обробки відбувається перитектична реакція: рідина+Аl9Сr4→СrАl4. Розвинена границя між включеннями фаз СrАl4 та Аl3Ті в деякій мірі підтверджує існування в покритті, при температурі насичення, зони в рідкому стані. Можна припустити існування рідкої фази на основі алюмінію, нікелю і хрому в насичуючому середовищі, яка існує локально в певних ділянках, безпосередньо на границі зі сплавом ВТ6. Присутність в рідкій фазі незначної кількості нікелю, алюмінію та хрому більш зумовлена перерозподілом елементів в насичуючій суміші і покритті. Формування шару на основі сполуки Аl3Ті відбувається також за участі рідкої фази. Вихідна суміш, яка збагачена алюмінієм, при температурах хіміко-термічної обробки плавиться. Наступна дифузія атомів алюмінію в сплав ВТ6 призводить до появи та росту шару триалюмініду титану Аl3Ті. Можна вважати, що формування двох складових покриття Аl3Ті та СrАl4 відбувається з рідких фаз різного складу: основна насичуюча фаза на основі алюмінію та хрому, друга на основі алюмінію, хрому та нікелю. При прийнятих умовах алюмохромонікелювання спостерігається дифузія алюмінію в матрицю з утворенням шару твердого розчину в титані. Концентрація алюмінію становить 18,1 % ат. за границею зона сполук - твердий розчин і плавно знижується до основи. Мікроструктурним аналізом встановлено, що отриманий за даною технологією дифузійний шар має сірий колір, практично безпористий, з чітко вираженою границею розділу покриття основа (фіг. 2 Мікроструктура комплексного хромоалітованого покриття, отриманого на титановому сплаві ВТ6). В структурі покриття можна виділити світлі включення СrАl4. з розгалуженою границею. Встановлено, що максимальний вміст цих включень в покритті має місце на відстані 70-140 мкм від границі з основою. Товщина алюмохромонікелевого покриття, 2 UA 94907 U 5 10 15 20 за прийнятих умов насичення, становить 425,0-430,0 мкм, що має позитивний ефект його використання з ціллю підвищення жаростійких властивостей сплаву ВТ6. Утворення локальних фаз на основі алюмінію, хрому, нікелю та титану в складі основного покриття може бути перспективним щодо протидії високотемпературному окисленню. За допомогою ПМТ-3 [7] визначено мікротвердість отриманих покриттів. Мікротвердість зони сполук виявилась достатньо високою: основа шару на основі фази Аl 3Ті - 5,5 ГПа, фази СrАl4-10,0 ГПа. Мікротвердість перехідної зони за товщиною змінюється рівномірно від 5,0 ГПа до мікротвердості основи -3,6 ГПа. Технологія нанесення алюмохромонікелевих покриттів запропонованим способів є практичною, вибухобезпечною, екологічно чистою, не потребує багатовартісного обладнання та висококваліфікованого обслуговуючого персоналу. Джерела інформації: 1. Патент RU № 2244041, МПК С23С 10/48, опубл. 10.01.2005. 2. Патент RU № 2195513, МПК С23С 10/48, С23С 10/50, опубл. 27.12.2002. 3. Патент RU № 2349678, МПК С23С 10/48, С23С 8/64, опубл. 20.03.2009 4. Авторське свідоцтво SU № 1731870, MПK C23C 10/28, опубл.07.05.1992 5. Патент RU № 2194795, МПК С23С 10/36, С23С 12/02, опубл. 20.12.2002. 6. Авторське свідоцтво SU № 694558, МПК С23С 9/02, опубл. 30.10.1979 7. Дослідження мікротвердості металів. Метод, рекомендації /уклад. Т.Д. Чернишова, С.П. Грибков, Воронеж, 2000. - 17с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 1. Спосіб нанесення дифузійних покриттів на основі алюмінію, хрому, що включає завантаження виробів в контейнер з насичуючою сумішшю із плавким затвором, який відрізняється тим, що 3 4 хлорид амонію вакуумують до тиску 10 -10 Па, контейнер нагрівають до температури 1050 °C та проводять ізотермічну витримку протягом 4 годин з подальшим охолодженням. 2. Спосіб нанесення дифузійних покриттів за п. 1, який відрізняється тим, що насичуюча суміш має наступний склад мас. % (40 алюмінію+28 хрому+24 інертної речовини Аl2О3+4,0 активатора NH4Cl+4,0 активатора NiCl2). 3. Спосіб нанесення дифузійних покриттів за п. 1, який відрізняється тим, що як додатковий елемент покриття використовують Ni, а джерелом нікелю в процесі алюмохромонікелювання виступає хлорид нікелю NiCl2. 3 UA 94907 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 4