СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК C23C8/58 C23C10/60 C23C14/58 

Предлагаемое изобретение относится к области обработки металлов, в том числе цветных, а именно к обработке деталей с изменением физико-химических свойств и структуры их поверхности, и может быть использовано при производстве конструкций двигателей летательных аппаратов, энергетики, электронной и автомобильной промышленности, для реакторов управляемого синтеза и т.д.

Известен способ обработки деталей, при котором на поверхности образуют керамический барьерный слой для защиты от коррозии внутреннего металлического покрытия или основы детали [1]
Однако керамический слой имеет пористую структуру, поэтому не может надежно защитить от коррозии, особенно при работе в агрессивных средах.

Известен способ обработки деталей, при котором поверхностный барьерный слой образуют микролегированием путем имплантации в вакууме и ионно-лучевым перемешиванием [2]
Однако такой способ образования микролегированного слоя не позволяет получить стабильную поверхностную структуру.

Задачей изобретения является обеспечение возможности образования барьерного слоя с равномерной поверхностной структурой, который способен надежно защитить от коррозии при работе детали в агрессивных средах, а следовательно и повысить ресурс работы детали.

Эта задача решается за счет того, что в способе обработки деталей, включающем поверхностное микролегирование до толщины слоя 15 мкм, и согласно изобретению деталь после микролегирования подвергают дополнительной обработке высокотемпературной плазмой.

Равномерность и стабильность структуры поверхностного слоя обеспечивается использованием импульсного подвода энергии одновременно на всю поверхность при больших скоростях охлаждения также всей поверхности детали, что позволяет формировать абсолютно равномерную, идентичную стабильную структуру слоя с одинаковыми физико-химическими свойствами по всей обрабатываемой поверхности детали.

Слой с измененной структурой (рентгено-аморфной) становится барьером для обычных обменных процессов на границе поверхность детали среда (атмосфера) и препятствует появлению коррозии при работе детали в агрессивных средах.

Предлагаемый способ может быть применен для деталей как с покрытием, так и без покрытия.

В качестве легирующих элементов могут быть металлы, неметаллы и неметаллические соединения на основе оксидов, боридов, карбидов, нитридов и др. При этом, если на поверхность детали нанести тонкий слой другого элемента, даже химически неактивного, обработать дополнительно импульсом высокотемпературной плазмы, а следовательно и охладить с большой скоростью, то на всей поверхности создается некоторый псевдотвердый раствор равномерной мелкодисперсной или рентгеноаморфной структуры.

Определенный режим воздействия вызывает:
существенное повышение объемной прочности материала;
ускорение диффузионных процессов;
синтез новых материалов;
соединение материалов;
ускорение пластической деформации материалов;
создание барьерного слоя;
модифицирование и изменение структуры,
в результате получаются определенные физико-химические свойства в поверхностном слое детали или защитном покрытии.

Этот способ не имеет ограничений по вводимым элементам. Но каждый химический элемент или соединение элементов при микролегировании с последующей обработкой плазмой выполняет определенную задачу, а именно позволяет получить новые композитные материалы, которые способны обеспечить следующие характеристики:
увеличение коррозионностойкости;
увеличение износостойкости;
снижение поверхностной биологической активности, например на медицинских инструментах;
увеличение адгезии;
увеличение жаростойкости;
увеличение эрозионностойкости;
создание сверхпроводимости слоя;
увеличение прочности;
увеличение пластичности;
металлизация оксидов;
создание метастабильных растворов из химических невзаимодействующих или маловзаимодействующих элементов (например, вольфрам-медь).

Описывается предлагаемый способ обработки деталей, при котором легированный разными способами слой обрабатывали высокотемпературной плазмой водорода или азота. В результате получаются:
микроструктура сварочного медного электрода с легированным слоем покрытия из циркония, полученным электронно-лучевым путем;
микроструктура лопатки компрессора из титанового сплава с легированным покрытием толщиной 3-7 мкм, полученным из оксида циркония катодным распылением;
вставка штампа для высокоскоростной штамповки из сплава 4Х5В2ФС с легированным слоем покрытия толщиной 10-15 мкм, полученным шликерным путем;
микроструктура лопатки турбины из сплава типа ЖС-6 с легированным слоем покрытия, полученным электронно-лучевым путем;
лопатка турбины из сплава типа ЖС-6 с керамическим слоем покрытия, на который плазменным путем нанесен легированный слой.

По предлагаемому способу проводилось несколько вариантов экспериментов. По всем вариантам обработка легированного слоя высокотемпературной плазмой проводилась в среде азота или водорода по режимам:
рабочее напряжение на электродах 25 кВт;
рабочее напряжение разрядников 3 кВт;
время задержки разряда на электродах 300 мкс;
вакуумирование рабочей камеры 10^-3.10^-4 мм рт.ст.

количество импульсов плазмы не менее 6.

I вариант.

На рабочую поверхность сварочного медного электрода для контактной сварки детонационным путем было нанесено покрытие, толщиной в пределах 15 мкм карбидом вольфрама, а электронно-лучевым путем покрытие из циркония. Затем детали с легированным слоем обработали высокотемпературной импульсной плазмой.

Сварочные электроды контактных электрических сварочных машин работаю при высокой плотности тока до 250-300 А/мм². Рабочая поверхность электродов при частых теплонагружениях и усилиях сжатия должна сохранять геометрию, а материал должен иметь стойкость к разупрочнению, что является показателем ресурса работы.

Для сравнения испытывался аналогичный сварочный медный электрод, но без легирующего покрытия. Стойкость (ресурс) электрода с покрытием (легированным) увеличилась в 3-4 раза по сравнению с электродом без покрытия.

Стойкость электрода без покрытия (до переточки) 500 сварочных точек.

Стойкость электрода с покрытием из циркония 1900 сварочных точек.

Стойкость электрода с покрытием из карбида вольфрама 1500-1600 сварочных точек.

II вариант.

На поверхность кромок или всю поверхность лопатки компрессора из титанового сплава катодным распылением или шликерным путем нанесено покрытие из оксида циркония толщиной 3-7 мкм. Затем легированную поверхность обработали высокотемпературной плазмой. Тонкие кромки лопаток компрессора и вся поверхность подвержены разрушению при эксплуатации, например от попадания посторонних частиц или предметов. Такое легирование позволяет создать барьерный слой, обрабатываемый затем высокотемпературной плазмой.

Лопатка после этого испытывалась на определение усталостной прочности и остаточных напряжений на разрыв. Прочность лопатки σ = 45 кгс/мм² при циклических нагрузках 2,0•10⁷. В то же время лопатка без обработки плазмой сохранила такую прочность при циклических нагрузках 0,47•10⁶.

III вариант.

На рабочую поверхность вставок штампа для высокоскоростной штамповки, изготовленных из сплавов 4Х5В2ФС лазерным методом нанесено легированное покрытие толщиной в пределах 10-15 мкм из карбида вольфрама или карбида титана, после чего вставки обработали высокотемпературной плазмой.

Основная проблема работы вставок малый ресурс, появление дефектов на поверхности вставки и соответственно детали, разупрочнение вставок под воздействием высокой температуры и нагрузок.

Штампом, снабженным вставкой, обработанной по предлагаемому способу, можно изготовить методом ВСШ при температуре 250 600^oС порядка 1000 годных деталей, не требующих последующей доработки. Для сравнения штамп с вставкой необработанной может изготовить всего лишь 300-500 деталей без дефектов. Следовательно, предлагаемый способ позволяет увеличить ресурс работы вставок (до ремонта) в 2-3 раза.

IV вариант.

На поверхность лопаток турбины I ступени из сплавов типа ЖС-6 был нанесен плазменным путем микролегированный слой из Al₂O₃, обработанный затем высокотемпературной плазмой.

Кроме того, микролегированный слой был нанесен также на такую же лопатку, но
с однослойным металлическим защитным покрытием,
с двухслойным металлическим защитным покрытием,
с трехслойным теплозащитным покрытием с наружным керамическим слоем на основе ZrO₂.

На однослойное и двухслойное покрытие микролегирование проводилось легирующими элементами; Zr или Cr электронно-лучевым или ионным путем; Al₂O₃ шликерным путем; или алитирование диффузионным путем. Затем легированную поверхность обработали высокотемпературной плазмой.

На теплозащитное покрытие трехслойной конструкции на поверхность керамического слоя произведено микролегирование легирующими элементами плазменным или шликерным методами легирующих элементов: углерод, окись титана, борид титана, карбид титана, карбид вольфрама, окись алюминия. Затем легированную поверхность обработали высокотемпературной плазмой.

Испытания с такими покрытиями проводились на установке термоциклических и изотермических испытаний в окислительной среде по режиму: температура испытаний 1050-1100^oС, общее время нагрева 300 часов.

Равномерность поверхностной структуры барьерного слоя определялась следующим образом. Нелегированную и легированную поверхности керамического слоя обрабатывали по предлагаемому способу и не подвергали изотермическому нагреву при температуре 1050^oС для определения диффузорной активности и через каждые 50 часов в разных точках обработанной поверхности методом сравнения результатов рентгеноструктурного исследования определяли фазовый состав покрытия и металлографическую структуру барьерного слоя.

Фазовый состав имел следующие результаты (см. табл.).

Стабильность структуры, толщины и отсутствие коррозионных разрушений после изотермических испытаний подтверждены металлографическими исследованиями.

Выводы.

1. Появление в I варианте Al₂O₃ (табл.) при изменении фазового состава после нагрева при температуре 1050^oС объясняется диффузионными процессами на границе покрытие среда.

2. Изотермические испытания подтвердили стабильность фазового состава II варианта как в исходном состоянии, так и после испытаний.

Лопатки с металлическими и керамическими слоями контролировались люминесцентным контролем ЛЮМ-1. Для фазового анализа теплозащитного покрытия производилось рентгеноструктурное исследование до и после испытаний; при этом установлено, что при испытании на 1050-1100^oC происходят диффузионные процессы через ZrO₂ без легирования и фазовый состав соответствует __→ ZrO(K+M) Al₂O₃. Легированный слой с последующей обработкой плазмой создал барьер, который затормозил диффузионные процессы и фазовый состав керамического слоя после испытания состоит только из ZrO₂(K), Zr, Y₂Zr₂O₇ как в исх. сост.

Таким образом, предлагаемый способ обработки деталей, по которому микролегированный слой подвергают дополнительной обработке высокотемпературной плазмой, обеспечивает создание равномерного барьерного слоя на поверхности или покрытии со стабильной структурой, замедляющего окисление и коррозию при высокой температуре с улучшением термостойкости, термостабильности, жаростойкости и эрозионностойкости, а значит и повышает ресурс до 1500 часов и более.

Способ обработки деталей включает поверхностное легирование на толщину 15 мкм и обработку высокотемпературной плазмой. Поверхностное легирование проводят детонационным, электронным, лазерным, шликерным, диффузионным способом, ионным внедрением, вакуумно-плазменным и плазменным напылением. 8 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ обработки деталей, включающий поверхностное легирование на толщину 15 мкм, отличающийся тем, что после легирования деталь дополнительно обрабатывают высокотемпературной плазмой. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют детонационным путем. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют электронным путем. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют вакуумно-плазменным напылением. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют шликерным путем. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют лазерным путем. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют плазменным напылением. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют путем ионного внедрения. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностное легирование осуществляют диффузионным путем.