Способ получения жаростойкого покрытия на поверхностях 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 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, малая жаростойкость получаемого покрытия: допускаемая рабочая изделий с такими покрытиями в окислительных газовых средах не превышает 900°С, а также возможность нанесения покрытия лишь с одной стороны металлической пластины, 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, 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, возможность нанесения покрытия лишь с одной стороны каждой из двух стальных пластин, 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, возможность нанесения такого покрытия лишь с одной стороны стальной пластины. Кроме того, в полученном по этому способу покрытии отсутствует слой с повышенной теплопроводностью, препятствующий возникновению в хрупком наружном слое покрытия термических напряжений недопустимо высокого 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 поверхностях 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 металлической пластиной и термическую обработку, при этом составляют два трёхслойных пакета с размещением в каждом из них 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 каждого 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 в каждом пакете выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной пластины со стальной пластиной 350-415 м/с, затем осуществляют холодную прокатку полученных трёхслойных заготовок с обеспечением обжатия нихромового слоя в каждой из них до толщины, равной 0,4-0,5 мм, после чего составляют пакет под сварку взрывом из двух одинаковых прокатанных трёхслойных заготовок с симметричным расположением между ними плакируемой пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривают взрывом стальные слои трехслойных заготовок с пластиной из жаропрочной стали при скорости детонации двух одинаковых зарядов взрывчатого вещества 2320-2730 м/с, при этом высоту каждого заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитных прослоек на поверхностях нихромовых слоёв метаемых прокатанных трёхслойных заготовок, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения с пластиной из жаропрочной стали, равной 510-575 м/с, затем производят алитирование нихромовых слоёв в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут, после чего проводят термическую обработку при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов.

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхностях пластины из жаропрочной стали характеризуется тем, что для изготовления нихромовых пластин используют нихром марки Х20Н80.

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхностях пластины из жаропрочной стали характеризуется тем, что для изготовления медных пластин используют медь марки М1.

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

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

Способ получения жаростойкого покрытия на поверхностях пластины из жаропрочной стали характеризуется тем, что для алитирования нихромовых слоёв используют алюминий марки АД1.

Новый способ получения жаростойких покрытий имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по методам формирования каждого покрытия на металлической поверхности, его составу, строению, так и по совокупности технологических приёмов и режимов при его получении. Так предложено составлять два трёхслойных пакета с размещением в каждом из них 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 каждого 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 в каждом пакете выбирать из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной пластины со стальной пластиной 350-415 м/с, что обеспечивает надёжную сварку в каждом трёхслойном пакете нихромового, медного и стального слоёв, исключает нарушение сплошности тонкого нихромового слоя при сварке взрывом, создает благоприятные условия для получения при дальнейших технологических операциях качественных покрытий с повышенной жаростойкостью и долговечностью. Толщины нихромовой и медной пластин в каждом пакете 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 каждого 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 покрытий. 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 в каждом пакете 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 в каждом пакете 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 полученных трёхслойных заготовок с обеспечением обжатия нихромового слоя в каждой из них до толщины, равной 0,4-0,5 мм, что способствует получению в них оптимальной толщины нихромовых слоёв, которые при последующем алитировании и термообработке частично превращаются в слои из интерметаллидов и твёрдых растворов, обладающие повышенной жаростойкостью и долговечностью при повышенных температурах, а остальные их части обеспечивают повышенную стойкость покрытий к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках. Холодная прокатка приводит к увеличению длины и ширины полученных трёхслойных заготовок с одновременным уменьшением их толщины, что способствует снижению расхода нихрома, меди и аустенитной стали в расчете на одно изделие. Обжатие до получения толщины нихромового слоя в каждой трёхслойной заготовке менее 0.4 мм является избыточным, поскольку это может привести к снижению служебных свойств получаемых покрытий. 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 двух одинаковых прокатанных трёхслойных заготовок с симметричным расположением между ними плакируемой пластины из жаропрочной стали с толщиной не менее 2 мм, сваривать взрывом их стальные слои с пластиной из жаропрочной стали при скорости детонации двух одинаковых зарядов ВВ 2320-2730 м/с, при этом высоту каждого заряда ВВ, материал и толщину защитных прослоек на поверхностях нихромовых слоёв метаемых прокатанных трёхслойных заготовок, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирать из условия получения скорости их соударения с пластиной из жаропрочной стали, равной 510-575 м/с. Пластина из жаропрочной стали с толщиной не менее 2 мм, является объектом для нанесения на неё жаростойких покрытий, создающая в получаемом материале необходимые прочностные свойства при повышенных температурах. Её толщина менее 2 мм является недостаточной для получения качественной многослойной заготовки без применения дополнительной металлоёмкой оснастки при сварке взрывом, что приводит к удорожанию процесса получения покрытия.

При скорости детонации каждого заряда ВВ и скорости соударения метаемых прокатанных трёхслойных заготовок, с пластиной 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 метаемых прокатанных трёхслойных заготовок с пластиной из жаропрочной стали выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоёв, что может привести к невозможности дальнейшего использования сваренной многослойной заготовки для формирования на ней качественных покрытий.

Предложено производить алитирование нихромовых слоёв полученной многослойной заготовки в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут, после чего проводить её термическую обработку при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов, что приводит к образованию с двух сторон пластины из жаропрочной стали сплошных жаростойких покрытий с необходимыми свойствами. Без такой обработки нихромовые слои могут контактировать с окислительными газовыми средами с температурой, достигающей 1100°С, лишь непродолжительное время. После алитирования нихромовых слоёв в расплаве алюминия на их поверхностях остаются сплошные тонкие слои алюминия, которые при последующей термообработке, взаимодействуя с нихромом, трансформируются в наиболее жаростойкие наружные слои покрытий с необходимой толщиной и свойствами.

Предложено алитирование нихромовых слоёв в расплаве алюминия производить при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут, поскольку температура и время алитирования ниже нижних предлагаемых пределов не приводит к образованию на поверхностях нихромовых слоёв сплошных алюминиевых слоёв, 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 нихромовых слоёв в расплаве алюминия проводить термическую обработку алитированной многослойной заготовки при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов, приводящей к образованию на поверхностях пластины из жаропрочной стали сплошных жаростойких покрытий. Температура и время термической обработки ниже нижних предлагаемых пределов не приводит к образованию наружных слоёв покрытий 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 нихромовых пластин использовать нихром марки Х20Н80, поскольку этот жаростойкий сплав обладает высокой пластичностью, не склонен к образованию нежелательных хрупких фаз при сварке взрывом с медными слоями 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 примыкающий к ней медный слой (до 150 часов) от воздействия окислительных газовых сред при температуре до 1100°С.

Предложено для изготовления медных пластин 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 наружных слоях покрытий термических напряжений недопустимо высокого уровня при воздействии на них концентрированных источников нагрева при эксплуатации в окислительных газовых средах с температурой до 1100°С.

Предложено при изготовлении пластин 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 покрытий по предлагаемому способу слоёв из этой стали, препятствует нежелательному диффузионному взаимодействию пластины из жаропрочной стали с медными слоями в процессе нанесения покрытий и эксплуатации изделия с покрытиями 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 жаростойких покрытий по предлагаемому способу.

Предлагаемый способ получения жаростойких покрытий, 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 два одинаковых трёхслойных пакета под сварку взрывом с размещением в каждом из них между верхней нихромовой пластиной и нижней пластиной из аустенитной стали медной пластины, укладывают пакеты на основание, размещенное на грунте. На поверхность верхней нихромовой пластины каждого пакета укладывают защитную прослойку, защищающую её поверхность от повреждений продуктами детонации ВВ, а на поверхности каждой 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 пластины со стальной пластиной 350-415 м/с. Инициирование процесса детонации в заряде ВВ при сварке каждого пакета осуществляют с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда ВВ. Затем осуществляют холодную прокатку полученных трёхслойных заготовок с обеспечением обжатия нихромового слоя в каждой из них до толщины, равной 0,4-0,5 мм, После прокатки, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки у прокатанных пакетов с краевыми эффектами, после чего составляют пакет под сварку взрывом из двух очищенных от окислов и загрязнений одинаковых прокатанных трёхслойных заготовок с симметричным и параллельным расположением между ними плакируемой пластины из жаропрочной стали с толщиной не менее 2 мм на расстоянии одинаковых технологических сварочных зазоров. Располагают на поверхностях нихромовых слоёв прокатанных трёхслойных заготовок одинаковые защитные прослойки, например, из стали, с одинаковыми зарядами ВВ, располагают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом стальных слоёв прокатанных трёхслойных заготовок с пластиной из жаропрочной стали путём одновременного взрыва зарядов ВВ с помощью электродетонатора и двух отрезков детонирующих шнуров равной длины. Скорость детонации каждого заряда ВВ должна быть равной 2320-2730 м/с, при этом высоту каждого заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитных прослоек на поверхностях нихромовых слоёв метаемых прокатанных трёхслойных заготовок, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают с помощью компьютерной технологии из условия получения скорости их соударения с пластиной из жаропрочной стали, равной 500-600 м/с.

После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами, например, на фрезерном станке, у полученной многослойной заготовки производят зачистку покрываемых поверхностей нихромовых слоёв, например, наждачной бумагой, производят обезжиривание, например, ацетоном, наносят специальный флюс, например, на основе полиэфирной смолы и этилацетата. Полученную при этом заготовку погружают в ёмкость, содержащую расплавленный алюминий, например, марки АД1, нагретый до температуры 720-760°С, выдерживают в течение 1,2-6 минут, после чего алитированную многослойную заготовку извлекают из расплава алюминия и, после охлаждения на воздухе, подвергают её термической обработке, например, в электропечи, при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов с последующим охлаждением на воздухе.

В результате на поверхностях пластины из жаропрочной стали получают сплошные четырёхслойные жаростойкие покрытия, наружные слои которого способны длительно сопротивляться газовой коррозии в окислительных газовых средах при температуре до 1100°С в течение времени до 6000 часов, при этом примыкающие к наружным слоям промежуточные нихромовые слои способны длительно (до 150 часов) сопротивляться газовой коррозии при температуре до 1100°С даже в случае повреждения наружных слоёв покрытий. Наружные слои покрытий, наиболее стойкие к газовой коррозии при повышенных температурах, толщиной 0,18-0,25 мм, сформированные в результате диффузионного взаимодействия алюминия с нихромом, состоят из пластичных интерметаллидов и твёрдых растворов: NiAl(Cr), Ni₃Al(Cr) и Ni(Cr, Al). Твёрдость их невысокая и составляет 3,4-3,6 ГПа. Примыкающие к наружным слоям пластичные слои толщиной 0,2-0,26 мм, состоят из нихрома. Их твёрдость примерно вдвое ниже твёрдости наружных слоя и составляет 1,7-1,9 ГПа. Благодаря такому оптимальному сочетанию твёрдости и пластичности этих слоёв покрытий, нанесённых на пластину из жаропрочной стали, они обладают повышенной стойкостью к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках. Между слоями из нихрома и аустенитной стали в полученных покрытиях расположены медные слои, которые, благодаря высокой теплопроводности меди, исключают возникновение в наружных слоях покрытий термических напряжений недопустимо высокого уровня при воздействии на них концентрированных источников нагрева при эксплуатации в окислительных газовых средах с температурой до 1100°С, способствуют увеличению долговечности получаемых данным способом покрытий. Между медными слоями и пластиной из жаропрочной стали в полученных покрытиях расположены слои из аустенитной стали, препятствующие нежелательному диффузионному взаимодействию пластины из жаропрочной стали с медными слоями в процессе нанесения покрытий и эксплуатации изделия с покрытиями, что способствует сохранению высокой теплопроводности медных слоёв и осуществлению их 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 два одинаковых трёхслойных пакета (пакеты №1) под сварку взрывом с размещением в каждом из них между верхней нихромовой пластиной и нижней пластиной из аустенитной стали медной пластины. Слои в каждом пакете располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров, причем метаемую нихромовую пластину располагают сверху. Размеры нихромовых пластин: длина 270 мм, ширина 220 мм, толщина 0,8-1 мм. У медной и стальной пластин в каждом пакете длина и ширина такие же, как у нихромовой, но толщина медной пластины равна 1-2 мм, стальной - 2-3 мм. Укладывают каждый полученный пакет на плоское основание, например, из древесно-стружечной плиты длиной 270 мм, шириной 220 мм, толщиной 18 мм, размещенные на грунте. При сборке пакетов предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров между свариваемыми пластинами, определяют материал и толщину защитной прослойки, устанавливаемой на поверхность каждой нихромовой пластины. Для сварки взрывом каждого 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 контейнеры с обеспечением высоты зарядов ВВ 50-60 мм, длиной 290 мм, шириной 240 мм. На поверхность каждого 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 в каждом пакете 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 каждом 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.

Холодную прокатку полученных трёхслойных заготовок осуществляют с обеспечением обжатия нихромового слоя в каждой из них до толщины, равной 0,4-0,5 мм. После прокатки, например, на фрезерном станке обрезают боковые кромки у прокатанных трёхслойных заготовок с краевыми эффектами. После обрезки боковых кромок длина каждой из них 430 мм, ширина 200 мм, толщина 1,9-3 мм.

Составляют пакет (пакет №2) под сварку взрывом из двух очищенных от окислов и загрязнений одинаковых прокатанных трёхслойных заготовок с симметричным и параллельным расположением между ними плакируемой пластины из жаропрочной стали с длиной 430 мм, шириной 200 мм, толщиной не менее 2 мм на расстоянии одинаковых технологических сварочных зазоров, равных 4-5 мм. Располагают на поверхностях нихромовых слоёв прокатанных трёхслойных заготовок одинаковые защитные прослойки, например, из стали Ст3 длиной 430 мм. шириной - 200 мм, толщиной 1,5-2 мм, с одинаковыми зарядами ВВ, в виде смесей аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношениях массовых частей 1:3 и 1:2, имеющих длину 450 мм, ширину 220 мм, высоту 50-60 мм, со скоростью детонации, равной 2320-2730 м/с, располагают полученную сборку вертикально на песчаном грунте и осуществляют сварку взрывом стальных слоёв прокатанных трёхслойных заготовок с пластиной из жаропрочной стали путём одновременного взрыва зарядов ВВ с обеспечением при этом скорости их соударения с пластиной из жаропрочной стали, равной 510-575 м/с.

После обрезки боковых кромок с краевыми эффектами, например, на фрезерном станке, у полученной многослойной заготовки длина 410 мм, ширина 180 мм, толщина 5,8-14 мм. Производят зачистку покрываемых поверхностей нихромовых слоёв, например, наждачной бумагой, обезжиривание, например, ацетоном, наносят на них специальный флюс, например, на основе полиэфирной смолы и этилацетата. Полученную при этом заготовку погружают в ёмкость, содержащую расплавленный алюминий, например, марки АД1, нагретый до температуры 720-760°С, выдерживают в течение 1,2-6 минут, после чего алитированную многослойную заготовку извлекают из расплава алюминия и, после охлаждения на воздухе, подвергают её термической обработке, например, в электропечи, при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов с последующим охлаждением на воздухе.

Таблица Параметры способа
получения материала Примеры по предлагаемому способу Пример по прототипу 1 2 3 4 Характеристика материалов пакетов №1 под сварку взрывом под сварку взрывом 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
пакетов №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 и нижней части пакета Прокатанная трёхслойная заготовка из слоёв нихрома марки Х20Н80, меди марки М1 и аустенитной стали 12Х18Н10Т Алюминий марки АД1 (сверху пакета) и сваренная заготовка из слоёв никеля марки НП1 (верхний слой) и стали 12Х1МФ Толщина верхней и нижней части пакета, мм 1,9 2,45 3 1-1,2 у алюминия АД1 и 3,3-7,6 у заготовки из никеля и стали Материал каждой
защитной прослойки Сталь Ст3 Резина Толщина каждой
защитной прослойки мм 2 1,8 1,5 3 Материал средней части пакета Пластина из жаропрочной стали марки 10Х11Н23Т3МР - Толщина средней
части пакета, мм 2 5 8 - Материал основания пакета Песчаный грунт Пластина из ДСП
толщиной 18 мм, 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 слоёв из аустенитной стали прокатанных трёхслойных 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

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 каждого наружного жаростойкого слоя, мм 0,18-0,2 0,21-0,22 0,24-0,25 Толщина каждого нихромового слоя, мм 0,2-0,22 0,23-0,24 0,25-0,26 Толщина каждого медного слоя, мм 0,5 0,75 1,0 Толщина каждого стального слоя, 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 с двух сторон 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 наружных, наиболее стойких к газовой коррозии в окислительных газовых средах слоёв покрытий сформированных в результате диффузионного взаимодействия алюминия с нихромом, их нихромовые слои могут осуществлять защиту медных слоёв в таких условиях до 150 часов. Полученные покрытия обладают, в сравнении с прототипом, более высокой стойкостью к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках, содержат дополнительные слои из меди и из аустенитной стали, первые из которых, благодаря высокой теплопроводности, исключают возникновение в наружных слоях покрытий термических напряжений недопустимо высокого уровня при воздействии на них концентрированных источников нагрева в условиях эксплуатации в окислительных газовых средах с температурой до 1100°С, а слои из аустенитной стали препятствуют диффузионному взаимодействию пластины из жаропрочной стали с медными слоями в процессе нанесения покрытий и эксплуатации изделий с покрытиями, что способствует увеличению их долговечности. 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 жаростойких покрытий, при котором составляют два трёхслойных пакета с размещением в каждом из них 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 каждого 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 в каждом пакете выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной пластины со стальной пластиной 350-415 м/с, осуществляют холодную прокатку полученных трёхслойных заготовок с обеспечением обжатия нихромового слоя в каждой из них до толщины, равной 0,4-0,5 мм, составляют пакет под сварку взрывом из двух одинаковых прокатанных трёхслойных заготовок с симметричным расположением между ними плакируемой пластины из жаропрочной стали с толщиной не менее 2 мм, сваривают взрывом их стальные слои с пластиной из жаропрочной стали при скорости детонации двух одинаковых зарядов ВВ 2320-2730 м/с, при этом высоту каждого заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитных прослоек на поверхностях нихромовых слоёв метаемых прокатанных трёхслойных заготовок, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения с пластиной из жаропрочной стали, равной 510-575 м/с, затем производят алитирование нихромовых слоёв полученной многослойной заготовки в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут, после чего проводят термическую обработку полученной при этом многослойной заготовки при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов, позволяет получать с двух сторон пластин из жаропрочной стали сплошные четырёхслойные жаростойкие покрытия с значительно большей, в сравнении с прототипом, жаростойкостью в окислительных газовых средах, способные эксплуатироваться в них до 6000 часов при температуре до 1100°С, с обеспечением при этом повышенной стойкости полученных покрытий к хрупкому разрушению при термоциклировании и динамических нагрузках, способных длительно (до 150 часов) сопротивляться газовой коррозии при температуре до 1100°С даже в случае повреждения наружных слоёв покрытий, с введением в состав слоёв покрытий слоёв с повышенной теплопроводностью - из меди, препятствующих возникновению в каждом наружном слое покрытия термических напряжений недопустимо высокого уровня при воздействии на них концентрированных источников нагрева, с введением в состав слоёв каждого покрытий слоёв из аустенитной стали, препятствующих диффузионному взаимодействию пластины из жаропрочной стали с медными слоями в процессе нанесения покрытий и эксплуатации изделия с полученными жаростойкими покрытиями, что свидетельствует о достижении заявляемого технического результата.

Изобретение относится к металлургии, а именно к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ). Способ получения жаростойкого покрытия на поверхностях 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 металлической пластиной и термическую обработку. Составляют два трёхслойных пакета с размещением в каждом из них 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 каждого пакета при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1850-2540 м/с. Высоту заряда ВВ, материал и толщину защитной прослойки на поверхности нихромовой пластины и сварочные зазоры между свариваемыми пластинами в каждом пакете выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной пластины со стальной пластиной 350-415 м/с. Затем осуществляют холодную прокатку полученных трёхслойных заготовок с обеспечением обжатия нихромового слоя в каждой из них до толщины, равной 0,4-0,5 мм. Далее составляют пакет под сварку взрывом из двух одинаковых прокатанных трёхслойных заготовок с симметричным расположением между ними плакируемой пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривают взрывом стальные слои трехслойных заготовок с пластиной из жаропрочной стали при скорости детонации двух одинаковых зарядов взрывчатого вещества 2320-2730 м/с. Высоту каждого заряда ВВ, материал и толщину защитных прослоек на поверхностях нихромовых слоёв метаемых прокатанных трёхслойных заготовок, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения с пластиной из жаропрочной стали, равной 510-575 м/с. Затем производят алитирование нихромовых слоёв в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут. Проводят термическую обработку при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов. Покрытия характеризуются 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 поверхностях 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 металлической пластиной и термическую обработку, отличающийся тем, что составляют два трёхслойных пакета с размещением в каждом из них 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 каждого 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 в каждом пакете выбирают из условия получения скорости соударения нихромовой пластины с медной 390-450 м/с, медной пластины со стальной пластиной 350-415 м/с, затем осуществляют холодную прокатку полученных трёхслойных заготовок с обеспечением обжатия нихромового слоя в каждой из них до толщины, равной 0,4-0,5 мм, после чего составляют пакет под сварку взрывом из двух одинаковых прокатанных трёхслойных заготовок с симметричным расположением между ними плакируемой пластины из жаропрочной стали толщиной не менее 2 мм, сваривают взрывом стальные слои трехслойных заготовок с пластиной из жаропрочной стали при скорости детонации двух одинаковых зарядов взрывчатого вещества 2320-2730 м/с, при этом высоту каждого заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитных прослоек на поверхностях нихромовых слоёв метаемых прокатанных трёхслойных заготовок, а также сварочные зазоры между свариваемыми слоями выбирают из условия получения скорости их соударения с пластиной из жаропрочной стали, равной 510-575 м/с, затем производят алитирование нихромовых слоёв в расплаве алюминия при температуре 720-760°С в течение 1,2-6 минут, после чего проводят термическую обработку при температуре 850-900°С в течение 15-20 часов.

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

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

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении пластин 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 нихромовых слоёв используют алюминий марки АД1.