СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2009 года по МПК C23C14/48 C23C14/06 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении деталей ГТД, преимущественно рабочих лопаток турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов.

Известны различные способы обработки поверхности деталей из жаропрочных никелевых сплавов для защиты поверхности от высокотемпературного окисления с помощью жаростойких покрытий и снижения интенсивности диффузионного взаимодействия на границе сплав-покрытие при рабочих температурах.

Известен способ алитирования поверхности монокристальных ренийсодержащих никелевых сплавов, в котором перед формированием алюминидного покрытия предлагается модифицировать поверхность сплава металлами для снижения содержания рения в поверхностном слое путем нанесения на поверхность кобальта, хрома и подобных им металлов с последующей термообработкой в вакууме. Затем формируют платино-алюминидное покрытие, осаждая слой платины толщиной 2,5-12,5 мкм и насыщая поверхность алюминием /патент ЕР №0821076/.

Недостатками способа являются высокая трудоемкость нанесения покрытия и формирование под покрытием вторичной реакционной зоны (ВРЗ), приводящей к разупрочнению сплава.

Известен способ получения платиноалюминидного диффузионного покрытия, легированного кремнием и гафнием. Покрытие наносят в несколько стадий. Сначала на поверхности жаропрочного сплава формируют начальный алюминидный слой совместным осаждением алюминия, гафния, кремния. Затем на поверхность слоя алюминида наносят платину и проводят алитирование всей композиции. При этом на поверхности жаропрочного сплава образуется однофазное платиноалюминидное покрытие, в зоне диффузионного взаимодействия которого с основой присутствуют силициды гафния, выполняющие роль диффузионного барьера. Слой, содержащий силициды, снижает интенсивность диффузионного обмена между сплавом и покрытием, что повышает циклическую и изотермическую жаростойкость композиции /патент США №6291014/.

Недостатками способа являются сложность и высокая трудоемкость метода нанесения покрытия, а также формирование под покрытием ВРЗ, приводящей к разупрочнению сплава на больших базах испытаний.

Известен способ защиты лопаток газовых турбин, предусматривающий формирование керметного слоя из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы введением в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)×10^-1 Па, осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, затем нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия и вакуумный отжиг /патент РФ №2280096/.

Недостатками способа являются сложность и высокая трудоемкость метода нанесения покрытия, формирование под покрытием ВРЗ, приводящей к разупрочнению сплава на больших базах испытаний, а также низкая термостойкость покрытия.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ обработки поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала из титана или сплавов на его основе, накопление и диффузию на поверхности изделия слоя титана толщиной 1-10 мкм при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 0-200 В, затем при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 300-1000 В при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия /патент РФ №2188251/.

Недостатками известного способа являются формирование под покрытием ВРЗ, содержащей топологически плотно упакованные фазы (ТПУ-фазы) с высоким содержанием рения, что приводит к снижению длительной прочности сплава, низкая термостойкость сплава с покрытием в условиях интенсивных теплосмен.

Технической задачей изобретения является уменьшение ширины ВРЗ, повышение долговечности и термостойкости сплава с покрытием.

Техническая задача достигается тем, что предложен способ обработки поверхности детали ГТД из жаропрочного сплава, включающий предварительную подготовку поверхности детали, размещение в зоне обработки детали и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на деталь и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на детали и температуре ее поверхности ниже температуры разупрочнения материала изделия, отличающийся тем, что накопление токопроводящего материала на поверхности детали проводят в присутствии реакционно-способного газа переменного состава, содержащего инертный газ и, по крайней мере, один компонент из группы: углерод, азот, кислород, причем сначала на поверхности изделия формируют слой, представляющий собой композиционный материал, содержащий карбиды, а затем слой, представляющий собой композиционный материал, содержащий нитриды и/или оксиды металлов. В качестве токопроводящего материала используют сплав на основе системы MeCrAl, где Me выбран из группы Ni, Co, Fe.

Проведение процесса осаждения (накопления) токопроводящего материала из плазмы сплава на основе системы MeCrAl в присутствии реакционно-способного газа позволяет сформировать на поверхности детали композиционный материал, состоящий из матрицы, близкой по составу к токопроводящему материалу, и мелкодисперсных частиц соединений металлов типа фаз внедрения - карбидов, оксидов, нитридов. Т.к. осаждение (накопление) происходит в вакууме при умеренной температуре, ограниченной температурой разупрочнения материала детали, тип образующихся фаз внедрения определяется составом реакционно-способного газа и величиной свободной энергии образования этих соединений (энергией Гиббса), что дает возможность управлять этим процессом. В начале процесса осаждения в состав реакционно-способного газа вводят соединения, содержащие углерод, что позволяет формировать композиционный материал, содержащий карбиды металлов, а затем, изменяя состав реакционно-способного газа, вводя в него азот и/или кислород, переходят к осаждению композиционного материала, содержащего оксиды и/или нитриды металлов.

При высоких температурах карбиды металлов выполняют роль диффузионного барьера между композиционным материалом и деталью, т.к. препятствуют диффузионному проникновению в поверхностный слой детали основных легирующих элементов токопроводящего материала - алюминия и хрома. С другой стороны, композиционный материал, содержащий карбиды, сохраняет жаростойкость и термостойкость сплава на основе системы MeCrAl в условиях забросов температур, т.к. является источником углерода для образования сложных карбидов и монокарбидов тугоплавких металлов, в состав которых могут входить рений и вольфрам. В результате в металлическую матрицу композиционного материала не проникают элементы, входящие в состав сплава детали и снижающие его термостойкость (молибден, титан, ниобий), что обеспечивает сохранение эксплутационных характеристик в течение более длительного времени. Также снижается интенсивность образования ВРЗ, состоящей из ТПУ-фаз, в состав которых в основном входят рений и вольфрам, и замедляются процессы изменения фазового состава поверхности, приводящие к разупрочнению материала металлического изделия.

При последующем изменении состава реакционно-способного газа на поверхности металлического изделия осаждается композиционный материал, содержащий оксиды и/или нитриды металлов, входящих в состав токопроводящего материала на основе сплава системы MeCrAl. В окислительной высокотемпературной среде нитриды и оксиды этих металлов более инертны в отношении химического взаимодействия, а также растворения и коагуляции в металлической матрице композиционного материала по сравнению с карбидами, которые могут проявлять химическую активность и коагулировать при высоких температурах. Композиционный материал, содержащий оксиды и нитриды металлов, обладает повышенной стабильностью фазового состава, а также улучшенной термостойкостью к образованию трещин термоусталостного характера, т.к. его коэффициент термического линейного расширения меньше, чем у сплава системы MeCrAl, что в свою очередь ведет к снижению уровня термических напряжений, возникающих при нагреве-охлаждении металлического изделия. Это позволяет улучшить прочностные и жаростойкие свойства металлического изделия после обработки его поверхности в соответствии с предлагаемым способом, в том числе при забросах рабочих температур.

Примеры осуществления

Пример 1. Для обработки поверхности были выбраны детали из жаропрочного литейного никелевого сплава ЖС36 для испытаний на жаростойкость и термостойкость диаметром 10 и длиной 25 мм, а также для испытаний на длительную прочность с диаметром рабочей части 5 мм.

Предварительная подготовка поверхности деталей включала удаление загрязнений, окисных пленок пескоструйной обработкой и обезжиривание в органических растворителях. После этого детали и токопроводящий материал на основе сплава системы MeCrAl - катод из серийного сплава для получения жаростойких покрытий ВСДП-9 (Ni-14%Cr-12%Al-2%Ta-0,4%Y) разместили в зоне обработки деталей рабочей камеры промышленной ионно-плазменной установки МАП-2. В рабочей камере в зоне обработки создали вакуум 10^-3 Па. Затем подали отрицательный потенциал -100В на катод (токопроводящий материал) и отдельно на детали -450В, после чего зажгли в рабочей камере установки МАП-2 вакуумную дугу, горящую с образованием плазмы токопроводящего материала (сплава ВСДП-9), и провели бомбардировку, очистку и нагрев поверхности деталей ионами токопроводящего материала при токе вакуумной дуги 700 А в течение 5 минут, после чего для проведения обработки поверхности детали по предлагаемому способу в камеру подали реакционно-способный газ, содержащий инертный газ аргон и ацетилен, и проводили накопление на поверхности деталей при отрицательном потенциале и температуре поверхности деталей ниже температуры разупрочнения сплава ЖС36, осаждение (накопление) композиционного материала, содержащего преимущественно карбиды тантала и хрома до толщины 40 мкм. Затем, не прерывая рабочего процесса установки МАП-2, провели изменение состава подаваемой в рабочую камеру установки реакционно-способной газовой смеси, заменив в ней ацетилен кислородом и увеличив долю аргона. После чего проводили накопление на поверхности образцов при отрицательном потенциале и температуре поверхности деталей ниже температуры разупрочнения сплава ЖС36, осаждение (накопление) композиционного материала, содержащего преимущественно оксиды иттрия, алюминия, хрома толщиной 100 мкм.

В результате обработки деталей по предлагаемому способу на их поверхности был получен композиционный материал переменного состава, содержащий на границе с жаропрочным сплавом изделия карбиды металлов, а на внешней поверхности оксиды металлов. После нанесения композиционного материала образцы были отожжены в вакууме 10^-2 Па при температуре 1050°С в течение 3 ч.

Были проведены лабораторные испытания на термостойкость по количеству циклов до появления первой трещины при циклическом нагреве-охлаждении образцов на специальном стенде по режиму (20-1150-20)°С, время нагрева 10 мин, время охлаждения - 1 мин. Наличие трещин определяли визуальным осмотром поверхности покрытий через каждые 20 циклов испытаний. После испытаний из деталей были изготовлены микрошлифы для исследования микроструктуры покрытий и определения ширины ВРЗ.

Долговечность деталей для испытаний на длительную прочность определялась при температуре 1000°С и нагрузке 250 МПа на базе испытаний 100 ч в процентах по сравнению с долговечностью образцов без покрытия.

Для каждого вида испытаний определялось среднее арифметическое значение по результатам испытаний трех деталей с покрытием одного типа.

Пример 2. Пример аналогичен примеру 1, но в качестве реакционно-способной смеси газов после накопления композиционно материала, содержащего преимущественно карбиды металлов, использовали смесь аргона и азота. В результате обработки образцов в соответствии с предлагаемым способом на поверхности был получен композиционный материал переменного состава, содержащий на границе с жаропрочным сплавом карбиды металлов в слое толщиной 20 мкм, а на внешней поверхности нитриды металлов в слое толщиной 60 мкм.

Пример 3. Пример аналогичен примеру 1 и 2, но в качестве реакционно-способной смеси газов после накопления композиционно материала, содержащего преимущественно карбиды металлов, использовали смесь аргона с азотом и кислородом. В результате обработки образцов в соответствии с предлагаемым способом на поверхности был получен композиционный материал переменного состава, содержащий на границе с жаропрочным сплавом карбиды металлов в слое толщиной 30 мкм, а на внешней поверхности оксиды и нитриды металлов в слое толщиной 80 мкм.

Пример 4. Был выполнен по способу прототипа с использованием сплава ВСДП-9.

Полученные результаты испытаний приведены в таблице.

№ примера Параметр Термостойкость в циклах Ширина ВРЗ, мкм Долговечность, % 1. 880 49 132 2. 640 67 109 3. 760 65 121 4. (прототип) 520 151 85

Как видно из представленных примеров, при обработке поверхности металлических изделий из сплава ЖС36 в соответствии с предлагаемым способом ширина ВРЗ уменьшается по сравнению с прототипом в (2-3) раза, термостойкость в условиях забросов температуры испытаний до 1150°С по количеству циклов возрастает на 20-60%, долговечность образцов до разрушения увеличивается на 24-47%.

Аналогичные результаты были получены на образцах из сплавов ЖС-32, ВЖМ-1 ВИ, ЖС55 с использованием в качестве токопроводящего материала сплавов для покрытий СДП-1, СДП-2, СДП-3, СДП-4, СДП-6, ВСДП-8.

Таким образом, применение предлагаемого способа в производстве деталей горячего тракта турбин различного назначения позволит увеличить ресурс их работы в 1,5-2 раза и снизит потребность в дорогостоящих жаропрочных сплавах на никелевой и кобальтовой основах.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам обработки поверхности металлических изделий, и может быть использовано в турбостроении при изготовлении деталей ГТД. Согласно способу проводят предварительную подготовку поверхности детали и размещение в зоне обработки детали и токопроводящего материала. После этого создают вакуум в зоне обработки, подают отрицательный потенциала на деталь и отдельно на токопроводящий материал. Далее производят возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности детали ионами токопроводящего материала и накопление токопроводящего материала на поверхности детали. При этом накопление токопроводящего материала на поверхности детали проводят в присутствии реакционно-способного газа, содержащего инертный газ и, по крайней мере, один компонент из группы: углерод, азот, кислород. Сначала на поверхности изделия формируют слой, представляющий собой композиционный материал, содержащий карбиды, а затем слой, представляющий собой композиционный материал, содержащий нитриды и/или оксиды металлов. Технический результат - повышение долговечности и термостойкости материала. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ обработки поверхности детали ГТД из жаропрочного сплава, включающий предварительную подготовку поверхности детали, размещение в зоне обработки детали и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на деталь и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности детали ионами токопроводящего материала, накопление токопроводящего материала на поверхности детали при отрицательном потенциале на детали и температуре ее поверхности ниже температуры разупрочнения материала детали, отличающийся тем, что накопление токопроводящего материала на поверхности детали проводят в присутствии реакционно-способного газа, содержащего инертный газ и, по крайней мере, один компонент из группы углерод, азот, кислород, причем сначала на поверхности изделия формируют слой, представляющий собой композиционный материал, содержащий карбиды, а затем слой, представляющий собой композиционный материал, содержащий нитриды и/или оксиды металлов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе системы MeCrAl, где Me - выбран из группы Ni, Co, Fe.