СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2018 года по МПК B23K20/08 C23C26/00 

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью.

Известен способ, обеспечивающий одновременное получение за время одного технологического цикла износостойких покрытий на титановой и стальной пластинах. При реализации этого способа осуществляют сварку взрывом пластин титана и стали, а затем проводят высокотемпературную диффузионную термическую обработку сваренной заготовки для формирования на границах раздела металлов интерметаллидного слоя заданной толщины. Сварку взрывом пластины из титана со стальной пластиной осуществляют на режимах, обеспечивающих амплитуду волн в зоне соединения металлов равную 0,18-0,37 мм, при этом процесс ведут при скорости соударения свариваемых пластин равной 440-650 м/с и регламентированной скорости детонации взрывчатого вещества, затем сваренную заготовку нагревают до температуры 900-950°C и выдерживают при этой температуре в вакуумной печи 10-14 часов до образования в сформированной при сварке взрывом волнообразной зоне соединения титана и стали высокотвердой интерметаллидной диффузионной прослойки толщиной 0,16-0,3 мм (160-300 мкм), после этого заготовку охлаждают вместе с печью, а затем нагревают до температуры 930-950°C, выдерживают при этой температуре 3-8 минут, а затем охлаждают в воде для отделения титана от стали по диффузионной прослойке с формированием при этом на титане и стали высокотвердых износостойких покрытий с регулярной волнообразной поверхностью. Полученные по этому способу покрытия обладают высокой износостойкостью (Патент РФ №2350442, МПК В23K 20/08 опубл. 27.03.2009, бюл. №9).

Достоинством этого способа является возможность одновременного получения покрытий на двух металлических поверхностях, а к его недостаткам следует отнести малую жаростойкость получаемых по этому способу покрытий: допускаемая рабочая температура изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 600°C, что ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения покрытия, при котором сваривают взрывом пакет из никелевой пластины толщиной 1-1,2 мм и стальной пластины, осуществляют горячую прокатку сваренного двухслойного пакета при температуре 900-950°C с обжатием до толщины никелевого слоя, составляющей 0,3-0,5 его исходной толщины. Сваривают взрывом эту биметаллическую заготовку и алюминиевую пластину при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2000-2700 м/с. Высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между метаемой алюминиевой пластиной и никелевым слоем неподвижной биметаллической заготовки выбирают из условия получения скорости их соударения в пределах 420-500 м/с. Термообработку сваренной трехслойной заготовки для образования сплошной интерметаллидной диффузионной прослойки между алюминием и никелем проводят при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч с охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному разделению алюминия и никеля по интерметаллидной диффузионной прослойке. На поверхности стальной пластины получают жаростойкое покрытие из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 0,045-0,065 мм (45-65 мкм) с малой амплитудой шероховатостей поверхности, имеющее пониженную склонность к образованию трещин при теплосменах, с рабочей температурой в окислительных газовых средах до 1000°C (Патент РФ №2486999, МПК В23K 20/08, С23С 26/00, опубл. 10.07.13, бюл. №19 - прототип).

Недостатком этого способа является возможность получения за один технологический цикл жаростойкого покрытия из интерметаллидов системы алюминий - никель лишь с одной стороны стальной пластины, использование в его технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, необходимость осуществления сварки взрывом металлических слоев в два этапа, что значительно увеличивает затраты на получение покрытия и ограничивает применение данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения одновременно с двух сторон пластины из триметалла - пластины из легированной стали, двусторонне плакированной низкоуглеродистой сталью, интерметаллидных покрытий с высокой жаростойкостью, с малой амплитудой шероховатостей на поверхности каждого покрытия, с пониженной склонностью к образованию трещин при теплосменах, без использования при этом в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, с сокращением количества операций сварки взрывом до одной, по новой технологической схеме формирования фазового состава интерметаллидных покрытий, их структуры и служебных свойств.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью сварки взрывом пакета из металлических пластин и последующих термических воздействий на сваренную заготовку одновременное получение с двух сторон пластины из триметалла в виде пластины из легированной стали, двусторонне плакированной низкоуглеродистой сталью, интерметаллидных покрытий с высокой жаростойкостью, с малой амплитудой шероховатостей на поверхности каждого покрытия, с пониженной склонностью к образованию трещин при теплосменах, без использования при этом в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, с сокращением количества операций сварки взрывом до одной, по новой технологической схеме формирования фазового состава интерметаллидных покрытий, их структуры и служебных свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения покрытий, включающем составление пакета из металлических пластин, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку сваренной заготовки для формирования на границе раздела металлов сплошной интерметаллидной диффузионной прослойки заданной толщины с последующим разделением полученной заготовки по диффузионной прослойке, составляют пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1,5-2 мм пластины из триметалла в виде пластины из легированной стали, двусторонне плакированной низкоуглеродистой сталью, при этом толщину этой пластины выбирают не менее 3 мм, толщину ее плакирующих слоев - в пределах 0,3-0,5 мм, располагают с двух сторон пакета на поверхностях алюминиевых пластин одинаковые заряды взрывчатого вещества и осуществляют его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах процесса детонации, при этом скорость детонации в каждом заряде взрывчатого вещества равна 2000-2700 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с плакирующими слоями из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла в пределах 370-490 м/с, термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевыми слоями и слоями из низкоуглеродистой стали проводят при температуре 660-665°C в течение 0,7-1 ч, охлаждают с печью до температуры 640-650°C, выдерживают при этой температуре 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стальных по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом на поверхностях слоев из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла сплошных жаростойких покрытий.

Новый способ получения покрытия имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по количеству жаростойких покрытий на стальных слоях, получаемых за один технологический цикл, так и по фазовому составу и по совокупности технологических приемов и режимов при его получении. Так предложено использовать для нанесения покрытий пластину из триметалла в виде пластины из легированной стали, двусторонне плакированной низкоуглеродистой сталью, составлять пакет под сварку взрывом с симметричным размещением этой пластины между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1,5-2 мм, при этом ее толщину предложено выбирать не менее 3 мм, а толщину ее плакирующих слоев - в пределах 0,3-0,5 мм. Предложено располагать с двух сторон пакета на поверхностях алюминиевых пластин одинаковые заряды взрывчатого вещества и осуществлять его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах процесса детонации, при этом скорость детонации в каждом заряде взрывчатого вещества должна быть в пределах 2000-2700 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами предложено выбирать из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с плакирующими слоями из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла в пределах 370-490 м/с, что обеспечивает в пакете из металлических пластин надежную сварку алюминиевых пластин со слоями из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла с минимальной амплитудой волн в зонах соединения слоев, исключает нарушение сплошности металлических пластин при сварке взрывом, создает, благоприятные условия для получения при дальнейших технологических операциях жаростойких покрытий с высокими служебными свойствами за время одного технологического цикла одновременно на двух слоях из низкоуглеродистой стали с двух сторон триметаллической пластины. Толщина алюминиевых пластин менее 1,5 мм является недостаточной для обеспечения стабильных сварочных зазоров между ними и слоями из низкоуглеродистой стали триметаллической пластины, что может привести к появлению непроваров и других дефектов в зонах соединения слоев, а это, в свою очередь, может привести к снижению качества получаемой продукции. Толщина алюминиевой пластины более 2 мм является избыточной, поскольку при этом происходит чрезмерный расход алюминия в расчете на одно изделие. Алюминиевые слои в сваренной пятислойной заготовке необходимы для формирования двух жаростойких диффузионных прослоек из интерметаллидов системы алюминий - железо между алюминиевыми слоями и слоями из низкоуглеродистой стали триметаллической пластины при последующей термической обработке, а также для создания необходимого уровня внутренних термических напряжений, возникающих при охлаждении многослойной заготовки, способствующих отделению алюминия от стальных слоев по интерметаллидным диффузионным прослойкам. Слой из легированной стали в пластине из триметалла обеспечивает высокую прочность получаемых изделий в процессе эксплуатации при обычных и повышенных температурах, а слои из низкоуглеродистой стали у этой пластины выполняют функции вспомогательных промежуточных прослоек между алюминиевыми слоями и слоем из легированной стали, что обеспечивает возможность получения в зонах соединения слоев низкоуглеродистой стали с алюминиевой пластиной диффузионных прослоек из интерметаллидов системы алюминий - железо с необходимым составом и свойствами. При толщине пластины из триметалла менее 3 мм возможны неконтролируемые деформации металлических слоев при сварке взрывом, приводящие к снижению качества получаемой продукции. При ее толщине равной или большей 3 мм ухудшения качества сварных соединений и качества получаемой продукции при соблюдении предлагаемых технологических режимов не происходит. Толщина слоев из низкоуглеродистой стали триметаллической пластины менее 0,3 мм может оказаться недостаточной для обеспечения необходимой прочности их соединения со слоями из легированной стали при получении триметаллических пластин, например, горячей прокаткой. Толщина слоев из низкоуглеродистой стали более 0,5 мм является избыточной, поскольку для формирования диффузионных прослоек из интерметаллидов системы алюминий - железо большая толщина этих слоев не требуется. При скорости детонации взрывчатого вещества и скоростях соударения металлических пластин при сварке взрывом выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических пластин с нарушениями их сплошности, при этом может происходить интенсивное волнообразование в зонах соединения слоев, что может привести к невозможности дальнейшего практического использования сваренных заготовок. При скорости детонации взрывчатого вещества и скоростях соударения пластин в пакете ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах соединения металлов, что приводит появлению брака получаемой продукции.

Термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевыми слоями и слоями из низкоуглеродистой стали триметаллической пластины предложено проводить при температуре 660-665°C в течение 0,7-1 ч, охлаждать с печью до температуры 640-650°C, выдерживать в печи при этой температуре 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стальных по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом на поверхностях слоев из низкоуглеродистой стали с обеих сторон триметаллической пластины сплошных жаростойких покрытий. Таким образом, термическую обработку предложено проводить в два этапа. На первом этапе ее проводят при температуре 660-665°C в течение 0,7-1 ч с переводом алюминиевых слоев в жидкое состояние, но, когда жидкотекучесть алюминия невелика, с последующим охлаждением с печью до температуры 640-650°C. На втором этапе заготовку выдерживают в печи при температуре 640-650°C в течение 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному отделению алюминия от стальных слоев по интерметаллидным диффузионным прослойкам, то есть, когда алюминиевые слои находятся в твердом, закристаллизованном состоянии. При термической обработке первого этапа, когда алюминиевые слои находится в жидком состоянии, весьма существенно увеличивается скорость диффузионных процессов между алюминиевыми и стальными слоями, что способствует получению за короткое время термической обработки на межслойных границах интерметаллидных диффузионных прослоек требуемой толщины и необходимого состава, материал которых обладает высокой жаростойкостью. При температуре и времени термической обработки первого этапа ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек оказывается недостаточной, что снижает способность получаемых покрытий сопротивляться длительному окислительному воздействию газов при высоких температурах. Температура и время термической обработки выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидных прослоек становится чрезмерной, при этом повышается вероятность хрупкого разрушения покрытий у получаемого материала при его дальнейшей эксплуатации в условиях теплосмен. Охлаждение с печью до температуры 640-650°C после термообработки первого этапа обеспечивает целостность диффузионных интерметаллидных прослоек в полученной многослойной заготовке. При термической обработке второго этапа происходит дополнительное увеличение толщины интерметаллидных диффузионных прослоек, но при этом в алюминиевых слоях возникают тонкие весьма хрупкие прослойки из интерметаллида FeAl₃, способствующие в процессе охлаждения на воздухе полученной многослойной заготовки самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стальных по интерметаллидным диффузионным прослойкам, при этом самопроизвольное отделение происходит по тонким слоям из интерметаллида FeAl₃, благодаря чему наружные поверхности полученных покрытий на триметаллической пластине имеют незначительную амплитуду шероховатости поверхности. При температуре и времени термической обработки второго этапа ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек из интерметаллида FeAl₃ оказывается недостаточной и при этом не происходит самопроизвольного отделения алюминиевых слоев от стальных по интерметаллидным диффузионным прослойкам в процессе охлаждения многослойной заготовки на воздухе. При температуре и времени термической обработки этого этапа выше верхних предлагаемых пределов толщина получаемых интерметаллидных диффузионных прослоек из интерметаллида FeAl₃ оказывается избыточной, что приводит к получению покрытий на стальных пластинах с чрезмерно большой амплитудой шероховатости поверхности.

На фиг. 1 изображена схема сварки взрывом пакета из металлических пластин (вид сбоку), на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.

Предлагаемый способ получения покрытий осуществляется в следующей последовательности. Очищают от окислов и загрязнений поверхности свариваемых материалов и составляют пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами 1, 2 толщиной 1,5-2 мм пластины из триметалла в виде пластины из легированной стали 3, двусторонне плакированной низкоуглеродистой сталью, при этом толщину этой пластины выбирают не менее 3 мм, толщину ее плакирующих слоев 4, 5 - в пределах 0,3-0,5 мм. Все свариваемые пластины в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров с помощью упоров 6, 7. На поверхности каждой алюминиевой пластины 1, 2 размещают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины 8, 9, защищающие металлические поверхности от повреждений при детонации взрывчатого вещества. Располагают с двух сторон полученного пакета контейнеры с одинаковыми зарядами взрывчатого вещества 10, 11 со скоростью детонации 2000-2700 м/с с генераторами плоской детонационной волны 12, 13. Высоту каждого заряда взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают с помощью компьютерных технологий из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с плакирующими слоями из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла в пределах 370-490 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на грунте 14. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах взрывчатого вещества процесса детонации с помощью электродетонатора 15 и двух детонирующих шнуров 16, 17 равной длины.

После сварки взрывом, например, на фрезерном станке обрезают у сваренной пятислойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами, закрепляют ее в специальном удерживающем устройстве, предназначенном для предотвращения стекания алюминия с поверхностей слоев из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла при последующей термической обработке, размещают полученную сборку, например, в электропечи, после чего проводят термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевым и стальными слоями, при температуре 660-665°C в течение 0,7-1 ч, охлаждают с печью до температуры 640-650°C, выдерживают при этой температуре 2-3 ч, извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе, что приводит к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стальных по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом на поверхностях слоев из низкоуглеродистой стали триметаллической пластины сплошных жаростойких покрытий. После чего эта пластина, с нанесенными с двух ее сторон жаростойкими покрытиями, состоящими из интерметаллидов системы алюминий-железо, может быть использована по назначению, а отделенные алюминиевые слои с тонкими интерметаллидными слоями на их наружных поверхностях идут на вторичную переработку. Свойства покрытий с двух сторон триметаллической пластины, полученных по предлагаемому способу, примерно такие же, как у изделий по прототипу: рабочая температура в окислительных газовых средах достигает 950-1000°C, малая амплитуда шероховатостей поверхности и пониженная склонность к образованию трещин при теплосменах, но, в отличие от прототипа, получение покрытий осуществляют одновременно с двух сторон триметаллической пластины, без использования в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, с сокращением количества операций сварки взрывом до одной.

Сущность способа поясняется примерами. Все примеры, в том числе и пример по прототипу, приведены в таблице с указанием основных технологических режимов получения покрытия, состава и толщин свариваемых материалов, а также свойств полученного продукта.

Пример 1

Берут триметаллическую пластину полученную, например, горячей прокаткой, в виде пластины из легированной стали 15Х12ВНМФ, двусторонне плакированной низкоуглеродистой сталью Ст3сп, а также две алюминиевые пластины из алюминия АД1, очищают их от окислов и загрязнений и составляют пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами толщиной каждой из них δ_Al=1,5 мм пластины из триметалла толщиной δ_тр=3 мм. Толщина каждого плакирующего слоя из низкоуглеродистой стали в триметаллической пластине δ_н=0,3 мм. Длина всех пластин в пакете равна 400 мм, ширина - 300 мм. Все свариваемые пластины в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров с помощью упоров, например, из алюминия. На поверхности каждой алюминиевой пластины размещают защитные прослойки из высокоэластичного материала - резины толщиной 2 мм, защищающие металлические поверхности от повреждений при детонации взрывчатого вещества. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров между каждым слоем из низкоуглеродистой триметаллической пластины и алюминиевыми пластинами h1 и h2.

Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2700 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой порошкообразный аммонит 6ЖВ. Взрывчатое вещество помещают в два контейнера, например, из электрокартона, с обеспечением высоты каждого заряда взрывчатого вещества H_BB=15 мм, длиной 420 мм, шириной 320 мм, которые располагают с двух сторон полученного пакета. Для получения скорости соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда взрывчатого вещества, величина сварочных зазоров равна: h1=h2=0,7 мм, что обеспечивает скорость соударения каждой алюминиевой пластины с каждым плакирующим слоем из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла V=490 м/с. Полученную сборку устанавливают вертикально на песчаном грунте. Сварку взрывом осуществляют с одновременным инициированием в зарядах взрывчатого вещества процесса детонации с помощью электродетонатора, двух детонирующих шнуров равной длины и двух вспомогательных зарядов взрывчатого вещества - генераторов плоской детонационной волны из аммонита 6ЖВ.

После сварки взрывом, например, на фрезерном станке обрезают у сваренной пятислойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовки равна 380 мм, ширина - 280 мм. Затем закрепляют ее в специальном удерживающем устройстве, размещают полученную сборку в электропечи, после чего проводят термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевым и стальными слоями проводят при температуре T₁=660°C в течение τ₁=1 ч, затем охлаждают с печью до температуры Т₂=640°C, выдерживают при этой температуре τ₂=3 ч, извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе, что приводит к самопроизвольному отделению алюминиевых слоев от стальных по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом на поверхностях слоев из низкоуглеродистой стали Ст3сп триметаллической пластины сплошных жаростойких покрытий с толщиной каждого из них δ_инт=0,08 мм (80 мкм), при этом толщина слоя из легированной стали 15Х12ВНМФ в триметаллической пластине - δ_лег=2,4 мм, толщина каждого слоя из низкоуглеродистой стали δ_н - около 0,28 мм. Рабочая температура в окислительных газовых средах полученных покрытий, состоящих из интерметаллидов системы алюминий-железо, достигает 950-1000°C, амплитуда шероховатостей поверхности не превышает 0,01 мм (10 мкм). У полученных покрытий пониженная склонность к образованию трещин при теплосменах. В отличие от прототипа, получение покрытий по предлагаемому способу осуществляют одновременно с двух сторон триметаллической пластины без использования в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, при этом сокращено количество операций сварки взрывом до одной.

Пример 2

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.

Толщина каждой алюминиевой пластины δ_A1=1,8 мм, толщина пластины из триметалла δ_тр=10 мм, толщина каждого плакирующего слоя из низкоуглеродистой стали в триметаллической пластине δ_н=0,4 мм.

Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2300 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 75% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 25% аммиачной селитры с высотой заряда Н_ВВ=15 мм. Для получения скорости соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда взрывчатого вещества, величина сварочных зазоров равна: h1=h2=0,7 мм, что обеспечивает скорость соударения каждой алюминиевой пластины с каждым плакирующим слоем из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла V=430 м/с.

Термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевым и стальными слоями проводят при температуре T₁=662°C в течение τ₁=0,8 ч, затем охлаждают с печью до температуры Т₂=645°C, выдерживают при этой температуре τ₂=2,5 ч. извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе.

Результаты те же, что в примере 1, но толщина каждого из интерметаллидных покрытий δ_инт=0,07 мм (70 мкм), толщина слоя из легированной стали 15Х12ВНМФ в триметаллической пластине - δ_лег=9, 2мм, толщина каждого плакирующего слоя из низкоуглеродистой стали Ст3сп δ_н - около 0,38 мм.

Пример 3

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения.

Толщина каждой алюминиевой пластины δ_Al=2 мм, толщина пластины из триметалла δ_тр=25 мм, толщина каждого плакирующего слоя из низкоуглеродистой стали в триметаллической пластине δ_н=0,5 мм.

Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2000 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры с высотой заряда H_BB=15 мм. Для получения скорости соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда

взрывчатого вещества величина сварочных зазоров равна: h1=h2=0,7 мм, что обеспечивает скорость соударения каждой алюминиевой пластины с каждым плакирующим слоем из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла V=370 м/с.

Термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевым и стальными слоями проводят при температуре T₁=665°C в течение τ₁=0,7 ч, затем охлаждают с печью до температуры Т₂=650°C, выдерживают при этой температуре τ₂=2 ч. извлекают термически обработанную заготовку из удерживающего устройства, после чего ее охлаждают на воздухе.

Результаты те же, что в примере 1, но толщина каждого из интерметаллидных покрытий δ_инт=0,06 мм (60 мкм), толщина слоя из легированной стали 15Х12ВНМФ в триметаллической пластине - δ_лег=24 мм, толщина каждого плакирующего слоя из низкоуглеродистой стали Ст3сп δ_н - около 0,49 мм.

При получении покрытия по прототипу (см. таблицу, пример 4) за один технологический цикл получают на поверхности лишь с одной стороны стальной пластины, имеющей толщину от 3 до 7 мм, сплошное жаростойкое покрытие, состоящее из наружного слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной от 0,045 мм (45 мкм) до 0,065 мм (65 мкм) и промежуточной никелевой прослойки толщиной 0,3-0,6 мм. Как и у предлагаемого способа рабочая температура жаростойкого покрытия в окислительных газовых средах достигает 950-1000°C, амплитуда шероховатостей поверхности покрытия не превышает 10 мкм, пониженная склонность к образованию трещин при теплосменах, но, в отличие от предлагаемого способа, при получении покрытия по прототипу используют дефицитный и дорогостоящий никель, дважды осуществляют операции сварки взрывом, что приводит к существенным затратам на получение покрытия, а это ограничивает применение данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью. Составляют пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1,5-2 мм пластины из триметалла - пластины из легированной стали с двух сторон плакированной низкоуглеродистой сталью. Толщину упомянутой пластины выбирают не менее 3 мм, толщину ее плакирующих слоев - в пределах 0,3-0,5 мм. С двух сторон пакета на поверхностях алюминиевых пластин располагают одинаковые заряды взрывчатого вещества и осуществляют его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах процесса детонации. Скорость детонации в каждом заряде взрывчатого вещества равна 2000-2700 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с плакирующими слоями из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла в пределах 370-490 м/с. Термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевыми слоями и слоями из низкоуглеродистой стали проводят при температуре 660-665°С в течение 0,7-1 ч. Затем охлаждают с печью до температуры 640-650°С. Проводят выдержку при этой температуре 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе до самопроизвольного отделения алюминиевых слоев от слоев из низкоуглеродистой стали по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом на поверхностях слоев из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла сплошного жаростойкого покрытия из интерметаллидов системы алюминий-железо. Обеспечивается одновременное получение интерметаллидных покрытий с двух сторон указанной триметаллической пластины, обладающих высокой жаростойкостью, имеющих малую амплитуду шероховатостей, с пониженной склонностью к образованию трещин при теплосменах без использования в технологической схеме дефицитного и дорогостоящего никеля, с сокращением количества операций сварки взрывом до одной. 2 ил., 1 табл., 4 пр.

Способ получения жаропрочного покрытия системы алюминий-железо на поверхности пластины из легированной стали с двух сторон плакированной низкоуглеродистой сталью путем сварки взрывом, включающий составление пакета из металлических пластин, размещение над ним заряда взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку сваренной заготовки для формирования на границе раздела металлов сплошной интерметаллидной диффузионной прослойки заданной толщины с последующим разделением полученной заготовки по диффузионной прослойке, отличающийся тем, что составляют пакет под сварку взрывом с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1,5-2 мм пластины из триметалла - пластины из легированной стали, плакированной с двух сторон низкоуглеродистой сталью, при этом толщину этой пластины выбирают не менее 3 мм, толщину плакирующих слоев - в пределах 0,3-0,5 мм, располагают с двух сторон пакета на поверхностях алюминиевых пластин одинаковые заряды взрывчатого вещества и осуществляют его сварку взрывом с одновременным инициированием в зарядах процесса детонации, при этом скорость детонации в каждом заряде взрывчатого вещества равна 2000-2700 м/с, высоту зарядов взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между соединяемыми металлами выбирают из условия получения скорости соударения алюминиевых пластин с плакирующими слоями из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла в пределах 370-490 м/с, термическую обработку сваренной пятислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между алюминиевыми слоями и слоями из низкоуглеродистой стали проводят при температуре 660-665°С в течение 0,7-1 ч, охлаждают с печью до температуры 640-650°С, выдерживают при этой температуре 2-3 ч с последующим охлаждением на воздухе до самопроизвольного отделения алюминиевых слоев от слоев из низкоуглеродистой стали по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием при этом на поверхностях слоев из низкоуглеродистой стали пластины из триметалла сплошного жаростойкого покрытия из интерметаллидов системы алюминий-железо.