Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной стали Российский патент 2023 года по МПК B23K20/08 B32B15/01 

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.

Известен способ получения износостойкого покрытия на поверхности титановой пластины, при котором составляют пакет под сварку взрывом из слоев алюминия и титана с соотношением толщин слоев 1:(2-8) при толщине слоя алюминия 1-1,5 мм, располагают на поверхности пакета заряд ВВ и осуществляют сварку взрывом при скорости детонации ВВ 1760-2700 м/с. Высоту заряда ВВ и сварочный зазор между пластинами пакета выбирают из условия получения скорости соударения при сварке в пределах 550-650 м/с. После сварки пакет подвергают отжигу путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 90-100°С в течение 1,5-3 часов с формированием между слоями алюминия и титана сплошной интерметаллидной прослойки. Затем производят обжатие пакета стальными пуансонами до полного удаления с поверхности интерметаллидной прослойки остатков алюминиевого слоя. Полученную заготовку нагревают до температуры 730-740°С, выдерживают в течение 0,2-0,3 часов, а затем ускоренно охлаждают между металлическими пластинами с высокой теплопроводностью с получением на поверхности титановой пластины высокотвёрдого интерметаллидного покрытия. Полученное износостойкое интерметаллидное покрытие на титановой пластине обладает значительной толщиной и высокой твердостью при высокой скорости роста его толщины. (Патент РФ №2373036, МПК B23K 20/08, С23С 26/00, опубл. 20.11.2009, бюл. №32).

К недостаткам данного способа относится повышенная склонность к хрупкому разрушению получаемого по нему покрытия при теплосменах и динамических нагрузках, что связано с его весьма высокой твёрдостью, достигающей 7-7,5 ГПа, а также малая жаростойкость получаемого покрытия: допускаемая рабочая изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 900°С, что ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.

Известен способ получения износостойких покрытий, при котором 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 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 B23K 20/08, опубл. 27.03.2009, бюл. №9).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено малой жаростойкостью получаемых по этому способу покрытий: допускаемая рабочая температура изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 700°C. Кроме того, развитая волнообразная поверхность таких покрытий способствует снижению их жаростойкости, что ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок.

Известен способ получения жаростойкого интерметаллидного покрытия на поверхности стальной пластины при котором алюминиевую пластину размещают между пластинами из низкоуглеродистой стали. Полученный трехслойный пакет располагают между пластинами из легированной стали. Полученный пятислойный пакет сваривают взрывом при заданной скорости детонации заряда взрывчатого вещества. Высоту заряда и сварочные зазоры между пластинами в пятислойном пакете выбирают из условия получения заданных скоростей соударения пластин. Проводят термическую обработку сваренной пятислойной заготовки и охлаждение с печью до заданной температуры. Последующее охлаждение на воздухе заготовки приводит к самопроизвольному отделению алюминия от стальных слоев по интерметаллидным диффузионным прослойкам с образованием двух биметаллических пластин. Каждая из полученных пластин состоит из слоя легированной и слоя низкоуглеродистой стали и имеет сплошное жаростойкое покрытие системы алюминий-железо на поверхности слоя из низкоуглеродистой стали. Способ обеспечивает одновременное получение двух биметаллических пластин, состоящих из слоёв легированной и низкоуглеродистой стали, с сплошными жаростойкими покрытиями на поверхностях слоёв из низкоуглеродистой стали при проведении одной операции сварки взрывом. (Патент РФ №2649922, МПК B23K 20/08, С23С 26/00, опубл. 05.04.2018, бюл. №10).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено недостаточно высокой жаростойкостью получаемых по этому способу покрытий: допускаемая рабочая температура изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 950-1000°C, что ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении ряда жаростойких деталей энергетических и химических установок.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения покрытия, при котором составляют пакет из никелевой пластины толщиной 1-1,2 мм и стальной пластины, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2000-2700 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между метаемой никелевой пластиной и неподвижной стальной пластиной выбирают из условия получения скорости их соударения в пределах 420-480 м/с, затем 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, после чего составляют пакет под сварку взрывом из полученной биметаллической заготовки и алюминиевой пластины толщиной 1,5-2 мм, сваривают их взрывом 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. Этим способом на поверхности стальной пластины получают двухслойное покрытие с наружным, наиболее жаростойким слоем из интерметаллидов системы алюминий-никель, толщиной 0,045-0,065 мм, с рабочей температурой в окислительных газовых средах до 1000°C. Промежуточный слой с толщиной 0,3-0,6 мм - из пластичного никеля, благодаря которому полученное данным способом покрытие имеет пониженную склонность к образованию трещин при теплосменах (термоциклировании). (Патент РФ №2486999, МПК В23К 20/08, С23С 26/00, опубл. 10.07.13, бюл. №19 - прототип).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено недостаточно высокой жаростойкостью получаемых по этому способу покрытий: допускаемая рабочая температура изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 1000°C. Кроме того, в полученном по этому способу покрытии отсутствует слой с повышенной теплопроводностью, препятствующий возникновению в хрупком наружном слое покрытия термических напряжений большого уровня при воздействии на него концентрированных источников нагрева, что весьма ограничивает возможности применения данного способа при изготовлении ряда жаростойких деталей энергетических и химических установок.

В связи с этим важнейшей задачей является разработка нового способа получения двухслойного жаростойкого покрытия на поверхности пластины из меди, обеспечивающего изделиям с такими покрытиями более высокую допускаемую рабочую температуру в окислительных газовых средах и способность длительно эксплуатироваться в них при повышенных температурах.

Техническим результатом заявленного способа является получение покрытия с повышенной жаростойкостью в окислительных газовых средах и повышенной стойкостью к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках, способного длительно сопротивляться газовой коррозии даже в случае повреждения наружного слоя покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной стали, включающем составление пакета из металлических пластин, размещение над ним защитной прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, прокатку сваренных пластин, сварку взрывом прокатанной заготовки с пластиной из жаропрочной стали и термическую обработку, при этом составляют трёхслойный пакет с размещением между верхней нихромовой пластиной толщиной 0,8-1 мм и нижней пластиной из аустенитной стали толщиной 2-3 мм, медной пластины толщиной 1-2 мм, сваривают взрывом пластины пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1850-2540 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромовой пластины, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной со стальной пластиной 350-415 м/с, осуществляют холодную прокатку полученной трёхслойной заготовки с обеспечением обжатия нихромового слоя до толщины, равной 0,4-0,5 мм, после чего составляют пакет под сварку взрывом из прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2320-2730 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромового слоя метаемой прокатанной трёхслойной заготовки, а также сварочный зазор между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения 510- 575 м/с, затем производят алитирование нихромового слоя полученной четырёхслойной заготовки в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут, после чего проводят термическую обработку полученной при этом заготовки при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов.

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной характеризуется тем, что для изготовления нихромовой пластины используют нихром марки Х20Н80.

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной характеризуется тем, что для изготовления медной пластины используют медь марки М1.

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной характеризуется тем, что при изготовлении пластины из аустенитной стали используют сталь марки 12Х18Н10Т.

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной характеризуется тем, что при изготовлении пластины из жаропрочной стали используют сталь марки 10Х11Н23Т3МР.

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной характеризуется тем, что для алитирования нихромового слоя используют алюминий марки АД1.

Новый способ получения жаростойкого покрытия имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по методам формирования покрытия на металлической поверхности, его составу, строению, так и по совокупности технологических приёмов и режимов при его получении. Так предложено составлять трёхслойный пакет с размещением между верхней нихромовой пластиной толщиной 0,8-1 мм и нижней пластиной из аустенитной стали, толщиной 2-3 мм, медной пластины толщиной 1-2 мм, сваривать взрывом пластины пакета при скорости детонации заряда ВВ 1850-2540 м/с, при этом высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромовой пластины, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирать из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной со стальной пластиной 350-415 м/с, что обеспечивает надёжную сварку нихромового, медного и стального слоёв, исключает нарушение сплошности тонкого нихромового слоя при сварке взрывом, создает благоприятные условия для получения при дальнейших технологических операциях качественного покрытия с повышенной жаростойкостью и долговечностью. Толщины нихромовой и медной пластин ниже нижнего предлагаемого предела являются недостаточными для обеспечения стабильных сварочных зазоров между слоями пакета из-за их гибкости, а это, может приводить к снижению качества сварных соединений. Их толщины выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку это приводит к чрезмерному расходу дорогостоящих нихрома и меди в расчёте на одно изделие. Нижнюю пластину из аустенитной стали трёхслойного пакета предложено изготавливать толщиной 2-3 мм, что обеспечивает при сварке взрывом получение качественных трёхслойных заготовок без неконтролируемых поперечных деформаций. При толщине этой пластины менее 2 мм возникает необходимость применения дополнительной металлической оснастки при сварке взрывом, а это приводит к удорожанию процесса получения покрытия. Её толщина более 3 мм является избыточной, поскольку это приводит к лишнему расходу стали в расчёте на одно изделие.

При скорости детонации заряда ВВ и скоростях соударения пластин пакета ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зонах соединения металлов, что снижает качество сварки слоёв пакета. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения пластин пакета выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоёв с нарушениями сплошности нихромового и медного слоёв, что может привести к невозможности дальнейшего использования сваренной заготовки для формирования на ней качественного покрытия.

Предложено осуществлять холодную прокатку полученной трёхслойной заготовки с обеспечением обжатия нихромового слоя до толщины, равной 0,4-0,5 мм, что способствует получению оптимальной толщины нихромового слоя, который при последующем алитировании и термообработке частично превращается в слой из интерметаллидов и твёрдых растворов, обладающий повышенной жаростойкостью и долговечностью при повышенных температурах, а остальная его часть обеспечивает повышенную стойкость покрытия к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках. Холодная прокатка приводит к увеличению длины и ширины полученной трёхслойной заготовки с одновременным уменьшением её толщины, что способствует снижению расхода нихрома, меди и аустенитной стали в расчете на одно изделие. Обжатие до получения толщины нихромового слоя менее 0.4 мм является избыточным, поскольку это может привести к снижению служебных свойств получаемого покрытия. Обжатие до толщины нихромового слоя более 0,5 мм приводит к лишнему расходу нихрома в расчёте на одно изделие.

Предложено составлять пакет под сварку взрывом из прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривать их взрывом при скорости детонации заряда ВВ 2320-2730 м/с, при этом высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромового слоя метаемой прокатанной трёхслойной заготовки, а также сварочный зазор между свариваемыми слоями выбирать из условия получения скорости их соударения 510-575 м/с.

Пластина из жаропрочной стали с толщиной не менее 2 мм, является объектом для нанесения на неё жаростойкого покрытия, создающая в получаемом материале необходимые прочностные свойства при повышенных температурах. Её толщина менее 2 мм является недостаточной для получения качественной четырёхслойной заготовки без применения дополнительной металлоёмкой оснастки при сварке взрывом, что приводит к удорожанию процесса получения покрытия.

При скорости детонации заряда ВВ и скорости соударения прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зоне соединения металлов, что снижает качество сварки слоёв. При скорости детонации ВВ и скорости соударения прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоёв, что может привести к невозможности дальнейшего использования сваренной четырёхслойной заготовки для формирования на ней качественного покрытия.

Алитирование нихромового слоя сваренной четырёхслойной заготовки в расплаве алюминия с последующей термической обработкой полученной заготовки приводит к получению на поверхности пластины из жаропрочной стали сплошного жаростойкого покрытия с необходимыми свойствами. Без такой обработки нихромовый слой может контактировать с окислительными газовыми средами с температурой, достигающей 1100°С, лишь непродолжительное время. После алитирования нихромового слоя в расплаве алюминия на его поверхности остаётся сплошной тонкий слой алюминия, который при последующей термообработке, взаимодействуя с нихромом, трансформируется в наиболее жаростойкий наружный слой покрытия с необходимой толщиной и свойствами. Предложено алитирование нихромового слоя в расплаве алюминия производить при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут. Температура и время алитирования ниже нижних предлагаемых пределов не приводит к образованию на поверхности нихрома сплошного алюминиевого слоя, что, в свою очередь, приводит к браку получаемой продукции. Температура и время алитирования выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку это приводит к лишним энергетическим затратам и, как следствие этого, к удорожанию получаемой продукции.

Предложено после алитирования нихромового слоя в расплаве алюминия проводить термическую обработку полученной заготовки при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов, приводящей к образованию на поверхности пластины из жаропрочной стали сплошного жаростойкого покрытия.

Температура и время термической обработки ниже нижних предлагаемых пределов не приводит к образованию наружного слоя покрытия требуемого качества, Температура и время термической обработки выше верхних предлагаемых пределов являются избыточными, поскольку это приводит к излишним энергетическим затратам и к снижению качества получаемой продукции.

Предложено для изготовления нихромовой пластины использовать нихром марки Х20Н80, поскольку этот жаростойкий сплав обладает высокой пластичностью, не склонен к образованию нежелательных хрупких фаз при сварке взрывом с медью и дальнейших технологических операциях предлагаемого способа. В случае каких-либо аварийных ситуаций, приведших к повреждению наружного слоя покрытия, нихромовая прослойка в повреждённом материале может достаточно долго защищать смежный с ней медный слой (до 150 часов) от воздействия окислительных газовых сред при температуре до 1100°С.

Предложено для изготовления медной пластины использовать медь марки М1, поскольку она обладает хорошей свариваемостью с нихромом, необходимой пластичностью при прокатке, достаточно высокой температурой плавления и весьма высокой теплопроводностью, благодаря чему исключается возникновение в наружном слое покрытия термических напряжений недопустимо высокого уровня при воздействии на него концентрированных источников нагрева при эксплуатации в окислительных газовых средах с температурой до 1100°С.

Предложено при изготовлении пластины из аустенитной стали используют сталь марки 12Х18Н10Т, поскольку она обладает хорошей свариваемостью с медью и с жаропрочной сталью, необходимой пластичностью при прокатке. Кроме того, введение в состав слоёв покрытия по предлагаемому способу слоя из этой стали, препятствует нежелательному диффузионному взаимодействию пластины из жаропрочной стали с медным слоем в процессе нанесения покрытия и эксплуатации изделия с покрытием в условиях повышенных температур.

Предложено для изготовления пластины из жаропрочной стали использовать сталь марки 10Х11Н23Т3МР, поскольку она обладает высокими прочностными свойствами при высоких температурах эксплуатации, широко используется для изготовления деталей химических и энергетических установок ответственного назначения, но не обладает высокой жаростойкостью. Интенсивное окалинообразование в окислительной газовой среде у этой стали происходит уже при температуре 850°С, что вызывает необходимость нанесения на её поверхность жаростойкого покрытия по предлагаемому способу.

Предлагаемый способ получения жаростойкого покрытия, осуществляется в следующей последовательности. Берут предварительно очищенные от окислов и загрязнений пластины из нихрома толщиной 0,8-1 мм, из меди толщиной 1-2 мм и из аустенитной стали толщиной 2-3 мм, и составляют из них со сварочными зазорами трёхслойный пакет под сварку взрывом с размещением между верхней нихромовой пластиной и нижней пластиной из аустенитной стали медной пластины, укладывают его на основание, размещенное на грунте. На поверхность верхней нихромовой пластины укладывают защитную прослойку, защищающую её поверхность от повреждений продуктами детонации ВВ, а на поверхности защитной прослойки располагают заряд ВВ со скоростью детонации 1850-2540 м/с, при этом высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромовой пластины, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, а медной со стальной пластиной 350-415 м/с. Инициирование процесса детонации в заряде ВВ осуществляют с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда ВВ. Затем осуществляют холодную прокатку полученной трёхслойной заготовки с обеспечением обжатия нихромового слоя до толщины, равной 0,4-0,5 мм, После прокатки, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки у прокатанного пакета с краевыми эффектами, после чего составляют пакет под сварку взрывом из прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали с толщиной не менее 2 мм, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда ВВ 2320-2730 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромового слоя метаемой прокатанной трёхслойной заготовки, а также сварочный зазор между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения 510-575 м/с.

После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами, например, на фрезерном станке, у полученной четырёхслойной заготовки производят зачистку покрываемой поверхности нихрома, например, наждачной бумагой, производят обезжиривание, например, ацетоном, наносят специальный флюс, например, на основе полиэфирной смолы и этилацетата. Полученную при этом заготовку устанавливают горизонтально в специальном приспособлении, препятствующим в дальнейшем контакту слоя из жаропрочной стали с расплавом алюминия, нагревают полученную сборку, например, в электропечи до температуры алитирования, равной 720-760°С, заливают на поверхность нихромового слоя расплавленный алюминий, нагретый до такой же температуры, выдерживают в течение 1,2-6 минут, после чего избыток алюминия удаляют с поверхности алитированного слоя, а алитированную заготовку после её охлаждения на воздухе извлекают из приспособления, помещают её в металлический контейнер, например, из окалиностойкой стали, с последующей его герметизацией, что способствует защите пластины из жаропрочной стали от окисления при термообработке, помещают его в электропечь после чего проводят термическую обработку алитированной заготовки, помещённой в контейнер, при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов с последующим охлаждением на воздухе и извлечением термообработанной заготовки из металлического контейнера. В результате на поверхности пластины из жаропрочной стали получают сплошное четырёхслойное жаростойкое покрытие, наружный слой которого способен длительно сопротивляться газовой коррозии в окислительных газовых средах при температуре до 1100°С в течение времени до 6000 часов, при этом примыкающий к наружному слою промежуточный нихромовый слой способен длительно (до 150 часов) сопротивляться газовой коррозии при температуре до 1100°С даже в случае повреждения наружного слоя покрытия. Наружный слой покрытия, наиболее стойкий к газовой коррозии при повышенных температурах, толщиной 0,18-0,25 мм, сформированный в результате диффузионного взаимодействия алюминия с нихромом, состоит из пластичных интерметаллидов и твёрдых растворов: NiAl(Cr), Ni₃Al(Cr) и Ni(Cr,Al). Твёрдость его невысокая и составляет 3,4-3,6 ГПа. Примыкающий к наружному слою пластичный слой толщиной 0,2-0,26 мм, состоит из нихрома. Его твёрдость примерно вдвое ниже твёрдости наружного слоя и составляет 1,7-1,9 ГПа. Благодаря такому оптимальному сочетанию твёрдости и пластичности слоёв покрытия, нанесённого на пластину из жаропрочной стали, оно обладает повышенной стойкостью к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках. Между слоями из нихрома и аустенитной стали в полученном покрытии расположен медный слой, который, благодаря его высокой теплопроводности, исключает возникновение в наружном слое покрытия термических напряжений недопустимо высокого уровня при воздействии на него концентрированных источников нагрева при эксплуатации в окислительных газовых средах с температурой до 1100°С, что способствует увеличению долговечности получаемого данным способом покрытия. Между медным слоем и пластиной из жаропрочной стали в полученном покрытии расположен слой из аустенитной стали, препятствующий диффузионному взаимодействию пластины из жаропрочной стали с медным слоем в процессе нанесения покрытия и эксплуатации изделия с покрытием, что способствует сохранению его высокой теплопроводности и полезных функций.

Сущность способа поясняется примерами. Основные технологические режимы и составы получаемых материалов по предлагаемым примерам 1-3 и примеру по прототипу, приведены в таблице (значения параметров в таблице указаны с округлением до сотых).

В качестве исходных материалов для сварки взрывом используют очищенные от окислов и загрязнений пластины из нихрома марки Х20Н80 и меди марки М1 и аустенитной стали марки 12Х18Н10Т, из которых составляют трёхслойный пакет (пакет №1) под сварку взрывом с размещением между верхней нихромовой пластиной и нижней пластиной из аустенитной стали медной пластины. Слои в пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров, причем метаемую нихромовую пластину располагают сверху. Размеры нихромовой пластины: длина 270 мм, ширина 220 мм, толщина 0,8-1 мм. У медной и стальной пластин длина и ширина такие же, как у нихромовой, но толщина медной пластины равна 1-2 мм, стальной - 2-3 мм. Укладывают полученный пакет на плоское основание, например, из древесно-стружечной плиты длиной 270 мм, шириной 220 мм, толщиной 18 мм, размещенные на грунте. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров между свариваемыми пластинами, определяют материал и толщину защитной прослойки, устанавливаемой на поверхность нихромовой пластины. Для сварки взрывом пакета используют ВВ со скоростью детонации 1850-2540 м/с. Такие скорости обеспечивают ВВ, представляющие собой смеси из порошкообразного аммонита 6ЖВ и аммиачной селитры в соотношениях 1:4, 1:3 и 1:2. ВВ помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ 50-60 мм, длиной 290 мм, шириной 240 мм. На поверхность пакета укладывают защитную прослойку из стали Ст3 длиной 270 мм, шириной 220 мм, толщиной 1,5-2 мм, защищающую поверхность верхней метаемой нихромовой пластины от повреждений, а на её поверхности располагают заряд ВВ. Для получения скорости соударения металлических слоёв в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочного зазора h₁ между нихромовой и медной пластинами была в пределах 1,2-2,7 мм, а зазор h₂ между медной пластиной и пластиной из аустенитной стали - в пределах 4-5 мм, что обеспечивает скорость соударения V₁ нихромовой пластины с медной при сварке взрывом 390-450 м/с, а медной пластины с пластиной из аустенитной стали V₂ в пределах 350-415 м/с. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда BB.

После сварки, например, на фрезерном станке, обрезают у сваренной трёхслойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовки 250 мм, ширина - 200 мм, толщина 3,8-6 мм.

Осуществляют холодную прокатку полученной трёхслойной заготовки с обеспечением обжатия нихромового слоя до толщины, равной 0,4-0,5 мм. После прокатки, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки у прокатанной трёхслойной заготовки с краевыми эффектами. После обрезки боковых кромок её длина 430 мм, ширина 200 мм. толщина 1,9-3 мм.

Составляют пакет (пакет №2) под сварку взрывом из прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали длиной 430 мм, шириной 200 мм, толщиной не менее 2 мм. Укладывают полученный пакет на плоское основание из древесно-стружечной плиты длиной 430 мм, шириной 200 мм, толщиной 18 мм, размещенное на грунте. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимого сварочного зазора между свариваемыми пластинами пакета, определяют материал и толщину защитной прослойки, устанавливаемой на поверхность нихромовой пластины. Для сварки взрывом этого пакета используют ВВ со скоростью детонации 2320-2730 м/с. Такие скорости обеспечивают ВВ, представляющие собой смеси из порошкообразного аммонита 6ЖВ и аммиачной селитры в соотношениях 1:3 и 1:2. ВВ помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ 80-100 мм, длиной- 450 мм, шириной 220 мм. На поверхность нихромового слоя пакета укладывают защитную прослойку из стали Ст3 длиной 430 мм, шириной 200 мм, толщиной 1,5-2 мм, а на её поверхности располагают заряд ВВ. Для получения скорости соударения металлических слоёв в пределах предлагаемого диапазона 510-575 м/с, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочного зазора между свариваемыми слоями была в пределах 4-5 мм. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в заряде ВВ с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда BB. После обрезки боковых кромок длина полученной четырёхслойной заготовки 410 мм. ширина 180 мм, толщина 3,9-11 мм.

Производят зачистку покрываемой поверхности нихрома четырёхслойной заготовки, например, наждачной бумагой, обезжиривание поверхности, например, ацетоном, наносят специальный флюс, например, на основе полиэфирной смолы и этилацетата. Полученную при этом заготовку устанавливают горизонтально в специальном приспособлении, препятствующим в дальнейшем контакту слоя из жаропрочной стали с расплавом алюминия, нагревают полученную сборку в электропечи до температуры алитирования, равной 720-760°С, заливают на поверхность нихромового слоя расплавленный алюминий марки АД1, нагретый до такой же температуры, выдерживают в течение 1,2-6 минут, после чего избыток алюминия удаляют с поверхности алитированного слоя, после чего, для защиты поверхности слоя из жаропрочной стали от окисления при термообработке, алитированную заготовку помещают в контейнер из жаростойкой стали с последующей его герметизацией и проводят термическую обработку алитированной заготовки при температуре 850-900°С в электропечи в течение 15-20 часов с последующим охлаждением на воздухе и извлечением полученного материала из контейнера.

Таблица Параметры способа
получения материала Примеры по предлагаемому способу Пример по прототипу 1 2 3 4 Характеристика материалов пакета №1 под сварку
взрывом Материал верхней пластины Нихром марки Х20Н80 Никель марки НП1 Толщина верхней пластины, мм 0,8 0,9 1,0 1-1,2 Материал защитной прослойки Сталь Ст3 Резина Толщина защитной прослойки, мм 2 1,8 1,5 3 Материал средней пластины Медь марки М1 - Толщина средней пластины пакета, мм 1 1,5 2 - Материал нижней пластины Сталь марки 12Х18Н10Т Сталь 12Х1МФ Толщина нижней пластины, мм 2 2,5 3 10-14 Материал основания пакета Пластина из древесно-стружечной плиты (ДСП) толщиной
18 мм, расположенная на песчаном грунте

Продолжение таблицы Параметры способа
получения материала Примеры по предлагаемому способу Пример по прототипу 1 2 3 4 Режимы сварки взрывом
пакета №1 ВВ - смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой, в соотношении масс. частей: 1:4 1:3 1:2 1:3, 1:1, а также
аммонит 6ЖВ без добавления аммиачной
селитры Высота заряда ВВ, мм 50 60 15 Скорость детонации ВВ, м/с 1850 2070 2540 2000-2700 Сварочные зазоры между свариваемыми пластинами h₁=2,7 мм
h₂= 4,5 мм h₁=1,5 мм
h₂= 4 мм h₁=1,2 мм
h₂= 5 мм 2-4 Скорость соударения пластин V₁=390 м/с,
V₂=350 м/с V₁=410 м/с,
V₂=380 м/с V₁=450 м/с,
V₂=415 м/с 420-480 Режимы прокатки Температура, °С Холодная прокатка 900-950
(Горячая прокатка) Толщина верхней пластины пакета
после прокатки, мм 0,4 0,45 0,5 0,3-0,6
Толщина пакета
после прокатки, мм 1,9 2,45 3 3,3-7,6

Продолжение таблицы Параметры способа
получения материала Примеры по предлагаемому способу Пример по прототипу 1 2 3 4 Характеристика материалов
пакета №2 под сварку взрывом Материал верхней части пакета Прокатанная трёхслойная заготовка из слоёв нихрома марки Х20Н80 (верхний слой), меди марки М1 и аустенитной стали 12Х18Н10Т (нижний слой) Алюминий марки АД1 Толщина верхней части пакета, мм 1,9 2,45 3 1-1,2 Материал защитной прослойки Сталь Ст3 Резина Толщина защитной прослойки на поверхности нихромового слоя, мм 2 1,8 1,5 3 Материал нижней части пакета Пластина из жаропрочной стали марки 10Х11Н23Т3МР Заготовка из слоёв никеля марки НП1 (верхний слой) и стали 12Х1МФ Толщина нижней части пакета, мм 2 5 8 3,3-7,6 Материал основания пакета Пластина из древесно-стружечной плиты (ДСП) толщиной
18 мм, расположенная на песчаном грунте

Продолжение таблицы Параметры способа
получения материала Примеры по предлагаемому способу Пример по прототипу 1 2 3 4 Режимы сварки взрывом пакета №2 ВВ - смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении масс. частей: 1:3 1:2 1:1, 3:1 и аммонит 6ЖВ без добавления
аммиачной
селитры Высота заряда ВВ, мм 80 100 80 15 Скорость детонации ВВ, м/с 2320 2420 2730 2000-2700 Сварочный зазор между свариваемыми металлами , мм 4 4,2 5 0,4-0,6 Скорость соударения слоя из аустенитной стали прокатанной трёхслойной заготовки с слоем из жаропрочной стали, м/с 510 540 575 420-500 (сваривают пластину из алюминия АД1 с никелевым слоем биметаллической заготовки из никеля НП1 и стали 12Х1МФ Материал основания пакета Пластина из древесно-стружечной плиты (ДСП) толщиной
18 мм, расположенная на песчаном грунте

Продолжение таблицы Параметры способа
получения материала Примеры по предлагаемому способу Пример по прототипу 1 2 3 4 Режимы алитирования и формирования
жаростойкого покрытия Материал для
алитирования Алюминий АД1 Сваренную взрывом пластину из алюминия АД1 с никелевым слоем биметаллической заготовки из никеля НП1 и стали 12Х1МФ термообрабатывают при температуре 600-630°С в течение 1,5-7 ч с охлаждением на воздухе, приводящим к разделению алюминия и никеля по интерметаллидной диффузионной прослойке с образованием при этом на поверхности стальной пластины сплошного жаростойкого покрытия. Температура
алитирования, °С 720 740 760 Время выдержки, мин 6 1,8 1,2 Режимы охлаждения На воздухе Температура термообработки, °С 850 875 900 Время выдержки, ч 20 17 15 Режимы охлаждения На воздухе Толщина наружного жаростойкого слоя, мм 0,18-0,2 0,21-0,22 0,24-0,25 Толщина нихромового слоя, мм 0,2-0,22 0,23-0,24 0,25-0,26 Толщина медного слоя, мм 0,5 0,75 1,0 Толщина слоя, из стали 12Х18Н10Т, мм 1,0 1,25 1,5

Продолжение таблицы

Параметры способа
получения материала Примеры по предлагаемому способу Пример по прототипу 1 2 3 4 Характеристика
полученных материалов с жаростойкими
покрытиями В результате на поверхностях пластин из жаропрочной стали получают сплошные четырёхслойные жаростойкие покрытия, способные длительно сопротивляться газовой коррозии в окислительных газовых средах при температуре окружающей среды до 1100°С в течение времени до 6000 часов, а, в случае повреждения наружного, наиболее стойкого к газовой коррозии в окислительных газовых средах слоя покрытия сформированного в результате диффузионного взаимодействия алюминия с нихромом, их нихромовый слой может осуществлять защиту медного слоя в таких условиях до 150 часов. Полученные покрытия обладают, в сравнении с прототипом, более высокой стойкостью к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках, содержит с дополнительные слои из меди и из аустенитной стали, первый из которых, благодаря высокой теплопроводности, исключает возникновение в наружном слое покрытия термических напряжений недопустимо высокого уровня при воздействии на него концентрированных источников нагрева в условиях эксплуатации в окислительных газовых средах с температурой до 1100°С, а слой из аустенитной стали препятствует диффузионному взаимодействию пластины из жаропрочной стали с медным слоем в процессе нанесения покрытия и эксплуатации изделия с покрытием, что способствует увеличению долговечности получаемого данным способом покрытия,. Получают двухслойные покрытия на поверхностях стальных пластин: наружный слой из интерметаллидов системы Al-Ni, Промежуточный слой - из никеля. Допускаемая рабочая температура изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 1000°C, при этом стойкость к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках ниже, чем у покрытий по предлагаемому способу.

Таким образом, способ получения жаростойкого покрытия, при котором составляют трёхслойный пакет с размещением между верхней нихромовой пластиной толщиной 0,8-1 мм и нижней пластиной из аустенитной стали, толщиной 2-3 мм, медной пластины толщиной 1-2 мм, сваривают взрывом пластины пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1850-2540 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромовой пластины, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной со стальной пластиной 350-415 м/с, осуществляют холодную прокатку полученной трёхслойной заготовки с обеспечением обжатия нихромового слоя до толщины, равной 0,4-0,5 мм, после чего составляют пакет под сварку взрывом из прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда ВВ 2320-2730 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромового слоя метаемой прокатанной трёхслойной заготовки, а также сварочный зазор между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения 510-575 м/с, затем производят алитирование нихромового слоя полученной четырёхслойной заготовки в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут, после чего проводят термическую обработку полученной при этом заготовки при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов, приводящей к образованию на поверхности пластины из жаропрочной стали сплошного жаростойкого покрытия, позволяет получать на поверхностях пластин из жаропрочной стали сплошные четырёхслойные жаростойкие покрытия, с значительно большей, в сравнении с прототипом, жаростойкостью в окислительных газовых средах, способных эксплуатироваться в них при температурах, достигающих 1100°С в течение времени до 6000 часов, с обеспечением при этом повышенной стойкости полученных покрытий к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках, а также к хрупкому разрушению наружных слоёв покрытий при воздействии на них концентрированных источников нагрева, способных длительно, до 150 часов, сопротивляться газовой коррозии при температурах до 1100°С даже в случае повреждения наружных слоёв покрытий, свидетельствует о достижении заявляемого технического результата.

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ). Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной стали включает составление пакета из металлических пластин, размещение над ним защитной прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, прокатку сваренных пластин, сварку взрывом прокатанной заготовки с пластиной из жаропрочной стали и термическую обработку Составляют трёхслойный пакет с размещением между верхней нихромовой пластиной толщиной 0,8-1 мм и нижней пластиной из аустенитной стали толщиной 2-3 мм медной пластины толщиной 1-2 мм, сваривают взрывом пластины пакета при скорости детонации заряда ВВ 1850-2540 м/с. Высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромовой пластины, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной со стальной пластиной 350-415 м/с. Осуществляют холодную прокатку полученной трёхслойной заготовки с обеспечением обжатия нихромового слоя до толщины, равной 0,4-0,5 мм. Составляют пакет под сварку взрывом из прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда ВВ 2320-2730 м/с. Высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромового слоя метаемой прокатанной трёхслойной заготовки, а также сварочный зазор между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения 510- 575 м/с, затем производят алитирование нихромового слоя полученной четырёхслойной заготовки в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 мин. Проводят термическую обработку полученной при этом заготовки при температуре 850-900°С в течение 15-20 ч. Покрытие характеризуется повышенной жаростойкостью в окислительных газовых средах и повышенной стойкостью к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

1. Способ получения жаростойкого покрытия на поверхности пластины из жаропрочной стали, включающий составление пакета из металлических пластин, размещение над ним защитной прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, прокатку сваренных пластин, сварку взрывом прокатанной заготовки с пластиной из жаропрочной стали и термическую обработку, отличающийся тем, что составляют трёхслойный пакет с размещением между верхней нихромовой пластиной толщиной 0,8-1 мм и нижней пластиной из аустенитной стали толщиной 2-3 мм, медной пластины толщиной 1-2 мм, сваривают взрывом пластины пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1850-2540 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромовой пластины, а также сварочные зазоры между свариваемыми пластинами выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной со стальной пластиной 350-415 м/с, осуществляют холодную прокатку полученной трёхслойной заготовки с обеспечением обжатия нихромового слоя до толщины, равной 0,4-0,5 мм, после чего составляют пакет под сварку взрывом из прокатанной трёхслойной заготовки и пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 2320-2730 м/с, при этом высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромового слоя метаемой прокатанной трёхслойной заготовки, а также сварочный зазор между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения 510-575 м/с, затем производят алитирование нихромового слоя полученной четырёхслойной заготовки в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 мин, после чего проводят термическую обработку полученной при этом заготовки при температуре 850-900°С в течение 15-20 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для изготовления нихромовой пластины используют нихром марки Х20Н80.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для изготовления медной пластины используют медь марки М1.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении пластины из аустенитной стали используют сталь марки 12Х18Н10Т.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении пластины из жаропрочной стали используют сталь марки 10Х11Н23Т3МР.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для алитирования нихромового слоя используют алюминий марки АД1.