ПОРОШКОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПРИРАБАТЫВАЕМОГО УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2024 года по МПК B22F1/12 C22C1/05 C22C19/03 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии, и может быть использовано при изготовлении порошковых композиций для прирабатываемых уплотнительных покрытий деталей турбомашины, получаемых методом химической металлизации, например, химическим никелированием.

Проблема использования порошкового материала, никелированного химическим методом (восстановление из фосфитов) заключается в том, что с увеличением содержания фосфора в конечной композиции значительно уменьшается температура плавления никелевой оболочки, при этом, в случае отсутствия фосфора в никелевой оболочке, плакирующий слой имеет большую пластичность и хуже удерживает плакируемый материал после напыления. Пониженная температура плавления приводит к тому, что оплавления никеля происходит сразу после выхода композиции из подающего инжектора, что в свою очередь приводит к пульсациям струи порошка, а также возможности полного прекращения подачи материала.

Наиболее близкой является порошковая композиция для прирабатываемого истираемого уплотнительного покрытия на основе никеля (патент РФ на изобретение №2791299 от 16.06.2022, МПК B22F 1/12, C22C 1/05, C22C 19/03, опубл. 07.03.2023 бюл. № 7) содержащая гексагональный нитрид бора, фосфор и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Никель Ni основа Гексагональный нитрид бора BN 17,0-23,0 Фосфор Р 1,0-8,0 Примеси не более 2,0

Недостатком данной порошковой композиции является низкое качество получаемого методом плазменного напыления покрытия на деталях турбомашины. Низкое качество покрытия связано с неравномерностью нанесенного покрытия, связанное с возникновением пульсаций в подаче порошковой композиции. Пульсация при подаче возникает из-за налипания на сопло инжектора подачи порошковой композиции в плазменную струю, так как налипание образуется в процессе атмосферного плазменного напыления происходит локальный перегрев ранее напыленных слоев в момент прекращения подачи порошка. В момент возобновления подачи материала, за счет увеличения давления транспортирующего газа, происходит излишняя подача порошкового материала в зону напыления, что приводит к непрогреву материала и плохим показателям когезии покрытия.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является повышение качества покрытия за счет увеличения температуры плавления оболочки, что приводит к отсутствию вероятности образования «никелевой пробки» в инжекторе или сопле подачи порошкового материала, тем самым достигается равномерность подачи порошковой композиции при получении покрытия.

Технический результат достигается тем, что порошковая композиция для прирабатываемого уплотнительного покрытия на основе никеля, содержит гексагональный нитрид бора, фосфор и примеси, в отличие от известного следующее соотношении компонентов, мас.%:

Никель Ni основа Гексагональный нитрид бора BN 17,0-23,0 Фосфор Р 0,3-0,99 Примеси не более 2,0

Уменьшение количества фосфора позволит увеличить температуру плавления плакирующего слоя с сохранением достаточной твердости (ударной вязкости).

Для подтверждения эффективности предлагаемой порошковой композиции были проведены экспериментальные исследования. В ходе исследований выли взяты 5 порошковых композиций с различным содержанием компонентов согласно таблице 1.

Таблица №1 - Исходные данные

№ порошковой композиции Компоненты порошковой композиции, % Максимальный размер гранулы, мкм Плотность композиции, г/см³ Никель Гексагональный нитрид бора Фосфор Примеси Ni BN P №1 (прототип) Основа 19 2 0,1 160 1,00 №2 Основа 20 0,3 1,0 160 1,86 №3 Основа 20 0,99 1,0 160 1,72 №4 Основа 20 нет 1,0 160 2,11 №5 Основа 20 15,0 15,0 160 0,82

Из каждой из представленных композиций были получены покрытия на детали из материала 08Г2С плоской прямоугольной формы с помощью плазмотрона марки ПП-25.

В ходе проведения исследований определяли:

1. Твердость покрытия, HB. Твердость покрытия определяется для подтверждения положительного влияния фосфора на плакирующий слой в части увеличения твердости покрытия.

2. Температура плавления оболочки °С. Температура плавления оболочки композиционного порошкового материала необходима для определения значения температуры, при которой не происходит налипания никеля на подающий порошок инжектор.

3. Состояние плазмотрона марки ПП-25. Состояние плазмотрона определяли по состоянию инжектора или сопла на наличие налипаний.

4. Плотность материала, γ, г/см³. Плотность готового композиционного материала позволяет определить пористость порошковой композиции.

5. Потеря массы испытываемого образца, Δm, г. Потеря массы определяется методом взвешивания образцов до и после испытаний. Данный показатель необходим для определения эрозионной стойкости.

6. Расчетная эрозионная стойкость, β.

Метод определения эрозионной стойкости основан на измерении потери массы исследуемого материала при обдувании его потоком твердых частиц (электрокорунд с величиной частиц 100 мкм).

За эрозионную стойкость материала, согласно формуле (1) принимается отношение объема истраченного абразива (частиц электрокорунда) к объему унесенного им испытываемого материала (согласно статье «Истираемость и эрозионная стойкость уплотнительных материалов проточной части ГТД», Д.П. Фарафонов, В.П. Мигунов, А.А. Сараев, Н.Е. Лещев, УДК 62-762, viam-works.ru, дата обращения 01.10.2021):

где V_a - объем истраченного абразива, см3;

γ_m - плотность испытываемого материала, г/см3;

Δm - потеря массы испытываемого образца, г.

Данные проведенных расчетов по вышеописанным параметрам показаны в таблице 2.

Согласно проведенным исследованиям установлено, что использование порошковых композиции № 1 и № 5 привело к прекращению работы из-за выхода плазмотрона из строя из-за возникшего налипания порошка на инжектор.

Полученные покрытия из порошковой композиции № 5 имеют повышенную твердость, которая при работе покрытия стачивает торец ответной части - пера лопатки, что может снизить работоспособность деталей машин, и привести к разрушению лопатки и турбомашины в целом.

Покрытия, полученные из порошковой композиции № 4, имеют высокую эрозионную стойкость, что также приводит к повышенному износу торцев пера лопаток.

Порошковые композиции №2 и №3 обладают повышенной температурой плавления и при работе плазмотрона с порошковыми композициями пульсаций и остановок подачи материала не происходило.

При напылении порошковой композиции № 1, из-за низкой температуры плавления оболочки, произошло интенсивное налипание никеля на инжектор, что в последствии полностью прекратило подачу материала.

Плотность полученных порошковых композиций во всех композициях находилась в допустимых пределах для дальнейшей эксплуатации.

Анализ полученных данных показал, что на рабочие характеристики покрытия влияет, как содержание фосфора, которое приводит к снижению температуры плавления и повышению твердости, так и его влияние на плотность порошковой композиции и полученного материала - если фосфор отсутствует, то увеличивается плотность покрытия и его прирабатываемость покрытия существенно ухудшается, что хорошо видно по показателям потери массы и расчетной эрозионной стойкости.

Из всего вышеописанного можно сделать вывод, что порошковые композиции № 2 и № 3 (заявляемый состав порошковой композиции для прирабатываемого уплотнительного покрытия) обладают повышенной температурой плавления, удовлетворительной твердостью получаемого покрытия из данных композиций, плотностью, необходимой для работы в плазмотроне. При этом. при использовании данных композиций работа плазмотрона оставалась стабильной, налипания на инжектор или сопло не происходило.

Таблица № 2 - Данные результатов исследований

Исследуемые параметры Номер порошковой композиции №1 №2 №3 №4 №5 Твердость, HB 12 11 12 12 24 Температура плавления оболочки, °С 1200 1250 1350 1400 880 Состояние плазмотрона марки ПП-25 Налипание никеля на инжекторе подачи материала привело к прекращению подачи порошка Налипание никеля на инжекторе подачи материала отсутствует Налипание никеля на инжекторе подачи материала незначительно, подача материала происходит равномерно Налипание никеля на инжекторе подачи материала отсутствует Инжектор подачи материала забился практически сразу после начала работы Плотность материала, , г/см³ 1,0 1,3 1,4 1,2 1 Потеря массы испытываемого образца, , г 0,170 0,260 0,195 0,120 0,045 Расчетная эрозионная стойкость, 71 115 90 282 320

Следовательно, заявляемая композиция позволяет достичь технического результата, а так же обеспечить высокие эксплуатационные характеристики получаемых прирабатываемых покрытий.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии, и может быть использовано при изготовлении порошковых композиций для прирабатываемых уплотнительных покрытий деталей турбомашины, получаемых методом химической металлизации, например химическим никелированием. Порошковая композиция на основе никеля содержит гексагональный нитрид бора, фосфор и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: никель – основа, гексагональный нитрид бора - 17,0-23,0, фосфор - 0,51-0,99, примеси – не более 2,0. Обеспечивается повышение качества покрытия за счет увеличения температуры плавления оболочки, что приводит к отсутствию вероятности образования «никелевой пробки» в инжекторе или сопле подачи порошкового материала, достигается равномерность подачи порошковой композиции при получении покрытия. 2 табл.

Порошковая композиция для прирабатываемого уплотнительного покрытия на основе никеля, содержащая гексагональный нитрид бора, фосфор и примеси, отличающаяся тем, что соотношение компонентов следующее, мас. %:

Никель – Ni основа Гексагональный нитрид бора – BN 17,0-23,0 Фосфор – P 0,51-0,99 Примеси не более 2,0