Способ получения алюминидного покрытия на изделия

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении для защиты пера лопаток турбин от высокотемпературного окисления и коррозии. Сущность изобретения: способ предполагает формирование алюминидного покрытия на изделии в плазме вакуумной дуги, горящей в парах сплава на основе алюминия при бомбардировке поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия и дополнительном нагреве обрабатываемого изделия до диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия при постоянном отрицательном потенциале на изделии, выбранном в диапазоне от потенциала плавания до потенциала ϕ=(-50)B . Изобретение позволяет увеличить скорость накопления алюминия на поверхности изделия, что повышает более чем в 2 раза производительность процесса формирования алюминидного покрытия.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении для защиты пера лопаток турбин от высокотемпературного окисления и коррозии.

В промышленности широко известен способ получения алюминидного покрытия насыщением поверхности из газовой фазы с использованием транспортных реакций, протекающих на поверхности обрабатываемого изделия и источника алюминия, например порошка сплава Fe-Al в смеси с галогенидным активатором - хлористым аммонием. Способ используется для получения алюминидных покрытий на лопатках турбин, обеспечивает достаточно высокую воспроизводимость параметров покрытия и его равномерность по толщине на криволинейных поверхностях лопаток турбин.

Недостатками известного способа являются низкая его производительность и практические трудности в получении легированных алюминидных покрытий из-за зависимости скорости протекания транспортной реакции от природы легирующего элемента.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, включающий предварительную подготовку изделия под покрытие, размещение в зону обработки изделия и сплава на основе алюминия, создание вакуума в зоне обработки изделия, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия с формированием алюминидного покрытия.

Этот способ имеет преимущества по сравнению со способом получения алюминидного покрытия насыщением поверхности из газовой фазы, т. к. позволяет стабильно получать легированные алюминидные покрытия, повысить точность дозирования толщины покрытия и степень воспроизводимости параметров покрытия, получать покрытия на окончательно готовые лопатки турбин, путем предохранения их замковых частей от попадания ионов плазмы сплава на основе алюминия.

Недостатком известного способа является низкая скорость роста покрытия, а в целом низкая его производительность, что ограничивает применение известного способа в промышленности.

Целью изобретения является повышение производительности процесса получения алюминидного покрытия.

Это достигается тем, что в способе получения алюминидного покрытия на изделии, включающем предварительную подготовку изделия под покрытие, размещение в зону обработки изделия и сплава на основе алюминия, создание вакуума в зоне обработки изделия, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия с формированием алюминидного покрытия, перед подачей отрицательного потенциала на изделие, осуществляют дополнительный нагрев обрабатываемого изделия одним из известных способов, например радиационным, и проводят процесс диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии, изменяющемся в диапазоне от потенциала плавания до потенциала ϕ = -50 В.

Введение дополнительного нагрева обрабатываемого изделия одним из известных способов, например радиационным, перед подачей отрицательного потенциала на изделие на заданную (известную) температуру в пределах от температуры плавления сплава на основе алюминия до температуры разупрочнения материала изделия, позволяет уменьшить нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия. Уменьшение ионного нагрева компенсируется введением дополнительного нагрева обрабатываемого изделия, что в целом позволяет снизить энергию ионов, бомбардирующих поверхность изделия путем повышения отрицательного потенциала, подаваемого на изделие, и тем самым практически устранить эффект катодного распыления поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия. Снижение скорости катодного распыления поверхности, достигаемое повышением отрицательного потенциала, подаваемого на изделие до значений, изменяющихся в пределах от потенциала плавания до потенциала ϕ = -50 В, позволяет соответственно этому снижению повысить скорость диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия и повысить производительность процесса получения алюминидного покрытия. Таким образом, введение дополнительного нагрева позволяет повысить отрицательный потенциал на изделии. Наряду с этим повышение отрицательного потенциала на изделии от ϕ = -100 - -300 В, необходимого для ионного нагрева изделия, до ϕ = ϕ_o - - 50 В (ϕ_o - потенциал плавания - это отрицательный потенциал, при котором ток, поступающий на поверхность изделия в плазме, равен 0) позволяет сохранить заданное соотношение легирующих элементов алюминиевого сплава в покрытии благодаря снижению эффекта катодного распыления, что в целом способствует повышению качества покрытия.

П р и м е р 1. Для получения алюминидного покрытия на изделии, например лопатка ротора турбины газотурбинного двигателя из жаропрочного сплава ЖС6У на основе никеля, лопатку после предварительной ее подготовки (обезжиривание и удаление загрязнений с поверхности лопатки) размещают в зону обработки изделия. После этого вводят в эту зону обработки сплав на основе алюминия следующего состава, мас. % : Si 11 Y 1,8 Al остальное создают в зоне обработки изделия вакуум при давлении Р ≅ 10^-3 Па и осуществляют радиационный нагрев лопатки до 950-960^оС. Затем подают на лопатку отрицательный потенциал ϕ = -300 В, а на сплав на основе алюминия отрицательный потенциал ϕ₁ = -(30-100) В и возбуждают одним из известных методов, например разрывом токового контакта на сплаве, вакуумную дугу, горящую в парах сплава на основе алюминия с образованием плазмы этого сплава. С образованием плазмы сплава начинают бомбардировку поверхности изделия ионами этого сплава, имеющими энергию Е = 300; 600; 900 эВ в зависимости от кратности заряда иона Z = 1; 2; 3, определяемую отрицательным потенциалом ϕ = -300 В на изделии и этим осуществляют очистку поверхности лопатки катодным распылением и ее ионный нагрев.

Затем через 5-10 мин в зависимости от массы лопатки и разогрева лопатки до рабочей температуры t₁ = 990-1000^оС отрицательный потенциал ϕ = -300 В на лопатке повышают до ϕ₂, равному потенциалу плавания ϕ_о (отрицательный потенциал, при котором ток из плазмы на лопатку равен нулю, ϕ_о = -5 В) и проводят диффузию и накопление алюминия на поверхности лопатки до заданной величины q = 70 г/м². При этом снижение ионного нагрева, связанное с повышением потенциала ϕ от значения ϕ = -300 В до ϕ₂, равному потенциалу плавания, компенсируют соответствующим повышением мощности радиационного нагрева для поддержания температуры поверхности лопатки в процессе диффузии и напыления алюминия на поверхности лопатки на уровне t₁ = 990-1000^оС. Затем после диффузии и накопления алюминия на поверхности лопатки до заданного значения q = 70 г/м² лопатку удаляют из зоны обработки и проводят отжиг лопатки в вакууме для снятия внутренних напряжений в покрытии при следующих параметрах: давление Р ≅ 10^-3 Па; температура нагрева - 1000 ± 10^оС; длительность отжига - 4 ч.

В результате на поверхности лопатки получали легированное кремнием и иттрием алюминидное покрытие толщиной ≈60 мкм с характерным для диффузионных покрытий двухзонным строением с внешним слоем покрытия из моноалюминида никеля толщиной ≈40 мкм при содержании в слое, мас. % : алюминий 20-22; кремний 1,6-1,8; иттрий 0,2-0,3.

По сравнению с прототипом, где для поддержания температуры лопатки на уровне 990-1000^оС в процессе диффузии и накопления алюминия необходим отрицательный потенциал на лопатке, равный - 200 - - 220 В при одинаковой скорости генерации плазмы, предложение позволяет уменьшить время накопления алюминия на поверхности лопатки до q = 70 г/м², более чем в 4 раза и соответственно этому повысить производительность процесса получения алюминидного покрытия на изделии.

П р и м е р 2. Алюминидное покрытие на лопатке ротора турбины из вышеописанного жаропрочного сплава ЖС6У получают аналогично примеру 1. Разница в том, что на лопатку подают отрицательный потенциал ϕ₂ = -50 В. В этом случае при одинаковой скорости генерации плазмы сплава на основе алюминия время диффузии и накопления алюминия на поверхности лопатки до заданной величины q = 70 г/м² возрастает на 8-10% от соответствующего времени для примера 1. В результате на поверхности лопатки получают алюминидное покрытие толщиной ≈60 мкм при следующем содержании во внешнем слое покрытия легирующих элементов, мас. % : Al 20-21; Si 1,5-1,7; Y 0,15 - 0,2.

П р и м е р 3. Алюминидное покрытие на лопатке ротора турбины из жаропрочного сплава ЖС6У получают аналогично примеру 1. Разница в том, что на лопатку подают отрицательный потенциал ϕ₂ = -100 В. В этом случае при одинаковой скорости генерации плазмы сплава на основе алюминия время диффузии и накопления алюминия на поверхности лопатки до заданного значения q = 70 г/м² возрастает по сравнению с примером 1 более чем в 1,6 раза. На поверхности лопатки получают покрытие толщиной ≈70-75 мкм при следующем содержании во внешнем слое легирующих элементов мас. % : Al 16-18; Si 0,6-0,8; Y < 0,05 Как видно из примера, снижение отрицательного потенциала на лопатке до значения ϕ₂ = - 100 В приводит к значительному увеличению продолжительности процесса формирования алюминидного покрытия (в 1,6 раза) при непропорциональном изменении в покрытии содержания легирующих элементов, что связано с более интенсивным катодным распылением поверхности лопатки в процессе формирования покрытия, чем в примерах 1 и 2.

Таким образом, как видно из приведенных примеров применение изобретения позволяет значительно повысить производительность процесса получения алюминидного покрытия на изделии и повысить его качество. Применение изобретения в промышленности для получения алюминидных покрытий на лопатках турбин позволяет снизить в 3-4 раза трудоемкость получения этих покрытий, что даст значительный экономический эффект. (56) Авторское свидетельство СССР N 1427879, кл. С 23 С 14/36, 1986.

Авторское свидетельство СССР N 1036072, кл. С 23 С 14/38, 1980.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА ИЗДЕЛИИ, включающий предварительную подготовку изделия под покрытие, размещение в зону обработки изделия и сплава на основе алюминия, создание вакуума в зоне обработки изделия, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия с формированием алюминидного покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса, перед подачей отрицательного потенциала на изделие осуществляют дополнительный нагрев обрабатываемого изделия преимущественно радиационным методом и проводят процесс диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия при постоянном отрицательном потенциале на изделии, выбираемом в диапазоне от потенциала плавания до потенциала - 50В.