Состав для комплексного диффузионного насыщения стальных изделий Советский патент 1990 года по МПК C23C10/52 

Изобретение относится к металлургии, а именное к нанесению теплозащитных покрытий на изделия, кратковременно работающие в скоростном потоке высокотемпературной возд ушной плазмы для повьшения их сопротивления высокотемпературной газовой коррозии и , обеспечения заданного ресурса работы, и может быть использовано в аэрокос-- мической, энергетической и других областях техники.

Цель изобретения - повьшзение защит- ных свойств покрытия за счет повьште- ния его качества и его коррозионной стойкости в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы при сохранении толщины диффузионного слоя.

Известный состав, содержащий оксиды хрома, переходного металла V группы.

алюминия, хлористый аммоний и

вещество-восстановитель, дополнительiHo содержит смесь оксидов редкоземельных металлов (РЗМ), оксид циркония, модифицированный иттрием, порошок :железа, хлористый хром,, фтористый ;алюминий, в качестве оксида переход JHoro металла V группы - пятиокись тантала, а в качестве вещества-восстановителя - порошок алюминия при следующем соотнощении компонентов,мае.%:

oo- jn Оксид хромаz,o ли

Оксид тантала 12-14 Смесь оксидов РЗМ 1,1-1,5 Оксид циркония, модифи 5

10

1,5-2,0

18-20

15-17 0,3-0,8 0,1-0,4 0,5-1-, 5 Остальное

15

20

25

ЗС

цированный иттрием

Порощок алюминия

Порощок железа

Хлористый хром

Фтористый алюминий

Хлористый аммоний

Оксид алюминия

Функциональное назначение каждого .из компонентов, ГОСТ поставок и химические формулы.

Оксид хрома () по ГОСТ 2912-79 - поставщик активных атомов хрома для образования многокомпонентного покрытия на его основе.

Оксид тантала () по ТУ 6-09-50-2176-77 - поставщик активных атомов тантала для образования многокомпонентного жаростойкого покрытия.

Смесь оксидов РЗМ (СеО 57%, Ьа,,0з 25%, 17%, PrgO,4%) по ТУ 95-1161-83 вводится в состав для легирования многокомпонентного покрытия и образования на его поверхности плотной прочносцепленной с основой оксидной пленки, активно препятствующей диффузии кислорода плазмы

к покрытию.

Оксид циркония, модифицированный

иттрием (85% Zr02+ 15% ), по ТУ 48-0502-63/0-85 - добавка, предот- ;вращающая спекание состава и являющаяся поставщиком иттрия в многокомпонентное покрытие, что увеличивает его сопротивление высокотемпературной газовой коррозии., сп

Порощок алюминия (А1) марки ПА-4 зи по ГОСТ 6058-73 - восстановитель оксидов металлов, входящих в предлагаемый состав.

Порощок железа (Fe) марки ПЖРВ 3.200 по ТУ 14.1-3882-85, вводится в э состав с целью образования в процессе восстановления оксидов металлов их ферросплавов, что приводит к сни1617050

жению спекаемости состава и благоприятно сказывается на чистоте поверхности обрабатываемого изделия.

Хром, хлористый (CrClj) по ТУ 6-09-02-269-77 - активатор процесса насыщения и поставщик активных атомов хрома в покрытие.

Алюминий фтористый |(AlFj) по ТУ 6-09-1122-76 - активатор процесса восстановления оксидов.

Аммоний хлористьш () по ГОСТ 3773-72 - активатор процесса восстановления оксидов и насыщения. Оксид алюминия () по ГОСТ 8136-76 - вводится в состав для предотвращения его спекания в процессе насыщения.

Порошковый состав, содержание компонентов в котором выходит за предлагаемые пределы, не удовлетворяет поставленной цели по следующим причинам:

при увеличении в составе содержания оксидов хрома и тантала последние полностью не восстанавливаются имеющимся в наличии алюминием, падает насыщающая способность состава, при уменьшении в составе содержания оксидов весь алюминий не расходуется на их восстановление и имеет место процесс совместного насыщения хромом,- танталом и алюминием;

увеличение в составе содержания оксидов РЗМ и окс1еда циркония, модифи- 35 цированного иттрием, не приводит к положительному эффекту - повьщ1ению жаростойкости покрытия, а снижение понижает жаростойкость покрытия;

увеличение содержания порощка железа, являющегося эффективным поглотителем тепла экзотермических реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, резко снижает тем- пературу .алюминотермического восста- новлё ния оксидов,- и тем самым полноту их протекания, а снижение вызывает проплавление -продуктов реакции, их стекание на дно контейнера, что нежелательно ;

40

45

введение в состав хлористого хрома, фтористого алюминия и хлористого аммония сверх указанных количеств вызывает интенсивное газовыделение из состава продуктов их разложения н процессе синтеза-порошка и насыщения деталей и не приводит к сколько-нибудь заметному росту толщины .покрывведение в состав хлористого хрома, фтористого алюминия и хлористого аммония сверх указанных количеств вызывает интенсивное газовыделение из состава продуктов их разложения н процессе синтеза-порошка и насыщения деталей и не приводит к сколько-нибудь заметному росту толщины .покры516

тия, а при меньших количествах акти- ваторов толщина покрытия снижается;

при увеличении в составе содержания оксида алюминия падает его на- сьщающая способность, а при уменьше- НИИ ухудшается технологичность, т.е. состав подвержен спеканию в процессе насыщения.

Анализ известных составов для насыщения хромом совместно с тугоплавкими металлами V группы показал, что некоторые введенные в предлагаемый состав вещества-активаторы известны, например фтористый алюминий, хлористый аммоний. Известно также введение окиси алюминия. Однако их применение в этих составах в сочетании с други- .ми компонентами, такими как смесь оксидов РЗМ, оксид циркония, модифицированный иттрием, оксид тантала, порошок железа, придают заявляемому объекту такое положительное качество как высокие защитные свойства образующихся покрытий в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы.

Состав для хромотанталирования приготавливают следующим образом.

Просушенные оксиды хрома, тантала смесь оксидов РЗМ, оксид циркония, легированный иттрием, порошки железа и алюминия и алюминий фтористый развешивают согласно формуле изобретения и тщательно перемешивают в течение 1-2 ч. После перемешивания состав помещают в ко.нтейнер из нержавеющей стали, уплотняют, поверх состава насыпают смесь, инициирующую реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), содержащую мас,%: А1 30 + , слоем толши- ной 5-7 мм, в центре которой размещают запал, включающий, мас.%: С 20 + Ti 30, Контейнер размещают под колпаком вытяжной вентиляции, и запал поджигают термитной спичкой или .каким-либо другим способом. После прохождения реакции СВС контейнер охлаждают на воздухе, синтезированный состав извлекают и размалывают в шаровой мельнице с добавками хлористого хрома, хлористого аммония и оксида алюминия. После размола до фрак- ции 100-1600 мкм состав готов к употреблению .

Пример, Проводят термодиффузионное насьш{ение сферических тел (шары из стали (MIS диаметром

9,525 мм) в предлагаемом и известном составах. Нанесение покрытий осуще- ствляют в контейнерах из нержавеющей стали, герметизированных плавким затвором, при в течение 6ч в печи фирмы Naber, ФРГ.Металлографический анализ покрытий осуществляют на микроскопе Polyvar , а фазо- вый микрорентгеноспектральный анализ - на установке ДРОН-3,

Фазовый состав покрытия следующий:

(Сг,Та,Ре))ц леги- рованные Zr

-Се, Y,La, Nd, Рг и А1 +(Х:-тв,р-р

Cr,Ta,Zr,Y,La,Nd,Pr в А1 в железе. Оценку теплозащитных свойств покрытий при высоких тепловых нагрузках осуществляют в однофазном потоке плазмы, создаваемом плазменным генератором (плазмотроном) типа ПРС-75. Использование в качестве катода гафния позволяет применять в работе кислородсодержащие газы (воздух) без до- полнительной защиты катода.

До начала эксперимента все испытываемые образцы насверливают на глубину 4 мм. Для проведения испытаний плазматрон установлен в горизонталь- ном положении на монтажном столе, С помощью координатного устройства по центру соп ла и на расстоянии 2 мм от его среза устанавливают на теплоизолированном держателе испытываемый об- разец. Время нахождения образца в воздушной плазменной струе задают с помощью реле времени и фиксируют электросекундомером ПВ53П,

Параметры работы плазматорона Расход газа,кг/с ; 1,5510 Подведенная мощность, кВт 23,5-30,7 Полезная мощность,

кВт15,2-17,0

КПД плазматрона,% 0,610 Энтальпия струи,

Дж/кг9,8-10,

Температура на срезе сопла, К 4980-5400 Скорость истечения струи из сопла (0 сопла 20 мм),м/с 130 Начальное время нахождения в плазменной струе определяют появлением а лобовой поверхности образца без еплозащитного покрытия жидкой фазы ее унос до уменьшения диаметра Ьб- азца около l/3-I/4d, Для образцов ез покрытия это время составляет

rv 3,5 с (за это время диаметр образ- i;a уменьшается на 2,2-2,5 мм).

В дальнейшем для образцов с покры- Ыями выбирают три временных интерва- па обдува: 3,5; 4,0 и 4,5 и 4,9 с. Для каждого времени обдува испытывают отдельный образец с покрытием. Требуемое время работы образца с покрытием при приведенных условиях испыта- НИИ без разрушения покрытия, начала оплавления материала основы образца W при минимальной потере формы образца должно составлять 3-4 с.

Качественную оценку защитных - свойств покрытия после различного времени обдува образца плазменной 1струей производят визуально степени разрушения покрытия и материала основы. Гравиметрическим методом оце- нивают потерю массы образца за время испытаний, отнесенную к единице площади поверхности:

Р

где m ,

2

(г/м),

. S

-масса образца до испытаний;

-масса образца после испытаний;

S - площадь поверхности образца.

Потеря массы является .следствием образования сложных оксидов и их уноса плазменной струей в процессе обдува.

Потерю формы образца после испытаний оценивают в процентах из выраж - ния

d - d2

d7

100%,

где d. - диаметр образца до испытаний;da размер образца в минимальном

сечении после испытаний

секунд в струе и уноса части массы покрытия и материала образца потоком плазмы. Значения удельной потери массы и -изменение формы образца могут . йе совпадать, так как в процессе испытаний действует два взаимно противо положных процесса - окисление покрытия, сопровождающееся увеличением массы образца, и унос продуктов окисления и жидкой фазы в случае, если она образуется плазменной струей.

Результаты испытаний образцов с покрытиями, полученными в известном и предлагаемом составах, приведены в

5 0

5

0

35

40

,5 .

таблице (во всех случаях покрытия наносят на образцы из стали UIX15 при в течение 6 ч).

Как видно из результатов таблицы, покрытие, нанесенное в предлагаемом составе, повышает теплоизоляционные характеристики стали в 9,3-10,5 раза по сравнению с незащищенным материалом при увеличении сохранения формы в 6,7-22,6 раза. По сравнению с покрытием, полученным в известном составе, покрытие, полученное в предлагаемом составе, обладает в 1,2-1,3 раза лучшими защитными свойствами и повьш1ает сохранение формы в 1,2-2,0 раза.

Формула изобретения

Состав для комплексного диффузионного насьш1ения стальных изделий, преимущественно из инструментальных сталей, включающий оксиды хрома, вещества, выбранного из оксидов переходного металла V группы, окись алю- миния, восстановитель и хлористый аммоний, о тличающийся тем, что, с целью повышения защитных свойств покрытия за счет повышения его качества и его коррозионной стойкости в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы при сохранении толщины диффузионного слоя, он дополнительно содержит смесь оксидов РЗМ металлов, оксид циркония, модифицированный иттрием, порошок железа, хлористый хром, фтористый алюминий, в качестве наполнителя - порошок алюминия,а в качестве вещества выбранного из оксидов переходных металлов V группы, - пятиокись тантала при следующем соотношении компонентов, мае. %:

Оксид хрома Оксид- тантала Смесь оксидов РЗМ металлов Оксид циркония, МОдифициро ванный иттрием

Порошок алюминия Порошок железа Хлористый хром Фтористьй алюминийХлористый аммог

НИИ

Оксид алюминия

28-30 12-14

1,5-2,0 18-20 15-17

0,3-0,8

0,1-0,4

0,5-.1,5 12,8-23,5

Изобретение относится к металлургии, а именно к нанесению теплозащитных покрытий на изделия, кратковременно работающие в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы, и может быть использовано в аэрокосмической, энергетической и других областях техники. Цель изобретения - повышение защитных свойств покрытия за счет повышения его качества и его коррозионной стойкости в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы при сохранении толщины диффузионного слоя. Состав для хромотанталирования стальных изделий, включающий оксиды хрома, переходного металла V группы, алюминия, хлористый аммоний и вещество-восстановитель, отличается тем, что, с целью повышения защитных свойств покрытия в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы, он дополнительно содержит смесь оксидов редкоземельных металлов, оксид циркония, модифицированный иттрием, порошок железа, хлористый хром, фтористый алюминий, в качестве оксида переходного металла V группы - пятиокись тантала, а в качестве вещества-восстановителя - порошок алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид хрома 28-30

оксид тантала 12-14

смесь оксидов РЗМ 1,1-1,5

оксид циркония, модифицированный иттрием, 1,5-2,0

порошок алюминия 18-20

порошок железа 15-17

хлористый хром 0,3-0,8

фтористый алюминий 0,1-0,4

хлористый аммоний 0,5-1,5

оксид алюминия - остальное. 1 табл.