Способ изготовления и термической обработки катодных элементов стационарных плазменных двигателей с рабочим каналом

 

Способ изготовления и термической обработки катодных элементов стационарных плазменных двигателей с рабочим каналом заключается в том, что катодные элементы изготавливают из титановых сплавов и высокохромистых магнитомягких сталей с проведением зонной нитроцементации в вакууме 0,3 - 10 мм рт. ст. при температуре 900 - 910^oС в течение 2 - 3 ч с нанесением пасты, содержащей графит, анилин и связующее. Детали устанавливают на насадках из горячепрессованной термической керамики. После снятия припуска по крепежной части проводят напыление нитрида титана толщиной слоя 8 - 30 мкм с установкой изделий в этих же оправках. Оправки могут быть выполнены из боронитридкремнистой керамики БГП-10, БГП-10Д. Паста, в которой проводят нитроцементацию, может содержать графит, анилин и декстрин в соотношении 1 : 2 : 1,5 или графит, анилин и карбоксиметилцеллюлозу в соотношении 1 : 1,2 : 0,5. Нагрев при нитроцементации проводят со скоростью 400 - 500^oс/ч, а охлаждение - со скоростью 30 - 500^oС/мин. 13 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии для космической техники, в частности к вакуумной химико-термической обработке прецизионных деталей из титановых сплавов и может найти применение также в приборостроении, машиностроении и инструментальной промышленности.

Известен способ напыления нитрида титана на упрочненный титановый сплав ВТ-22 (Васильев А.И. и др. Сб. тез. докл. Высокоэффективные технологии и оборудование для сварки, пайки, напыления. М. НИАТ, 1992, с.10).

Способ эффективен для повышения усталостной прочности деталей, но не позволяет существенно улучшить износостойкость в потоке ионной плазмы в условиях высокого вакуума. Недостаточны толщина и адгезионная прочность слоя с повышенной твердостью.

Известен способ имплантации углерода и азота на поверхность титановых сплавов и на глубину 10-100 мкм эрозионным распылением, катодным распылением или оплавлением (технология обработки поверхности титановых сплавов/ (Металлургия, РЖ ВИНИТИ. 1991, N 6).

Недостатки способа сложность осуществления, неэффективность применительно к деталям сборных и сварных конструкций, например для деталей электрических двигателей малой тяги.

Наиболее близким к заявляемому является способ упрочняющей обработки путем нанесения многослойных композиционных покрытий парного состава: карбид титана нитрид титана на подслой и барьерный слой из чистого титана на детали из сталей и твердых сплавов (прототип).

Способ имеет ограниченное применение, преимущественно для деталей и инструмента простого профиля и сечения, трудоемок в осуществлении, не обеспечивает высокого сочетания терморадиационных характеристик и стойкости в ионной плазме. Не достигается контактная межслойная адгезионная и диффузионная прочность многослойного покрытия с основой.

Цель изобретения повышение износостойкости в ионной плазме, улучшение качества и снижение трудоемкости обработки, улучшение терморадиационных характеристик поверхности, снижение деформации и повышение технологичности изготовления прецизионных деталей катодов-компенсаторов.

Сущность изобретения состоит в следующем: торцовые цилиндрические вставки катодов, подлежащие сварке с корпусом после механической обработки в окончательный размер по рабочим поверхностям и с припуском по поверхностям, подлежащим сварке, вначале подвергают химико-термической обработке нитроцементации в обмазке, а затем напыляют нитрид титана; температура выбрана 900-910^оС из условий возможности закалки применительно к титановым сплавам и проведения отжига применительно к высокохромистым магнитомягким сталям типа 16Х-ВИ, время выдержки назначено из условий получения диффузионного слоя не менее 80-100 мкм, оптимального для получения высокопрочного многослойного покрытия с нитридом титана; в качестве компонентов нитроцементующей пасты выбраны вещества не вызывающие коррозии и окисления поверхности титановых сплавов типа ВТ-14, ВТ-23 и сталей с 13-16% хрома, не обеспечивающие высокую скорость формирования диффузионного слоя в вакууме до 0,3 мм рт.ст. и однородность слоя по твердости и толщине. Анилин С₆Н₅ ˙Н₂ является поставщиком азота и бессажистым компонентом пасты, графит чешуйчатый улучшает приток углерода и азота к поверхности деталей, а также исключает пригар и прилипание, пригар пасты к поверхности деталей, позволяет сохранить высокую чистоту поверхности. Связующие декстрин или применительно к сталям карбоксиметилцеллюлоза оба растворимы в анилине и являются активаторами процесса нитроцементации в выбранном интервале температур; применение горячепрессованной керамики для изготовления оправок, на которых проводится вакуумная нитроцементация и напыление нитрида титана основано на ее теплофизических свойствах высокой термостойкости, температуропpоводности и инертности к поверхностям, соприкасающимся с ней при высокотемпературной обработке. Это обеспечивает термофиксацию и исключает дополнительное коробление тонкостенных деталей катодных элементов; керамика не разрушается при форсированном нагреве и ускоренном охлаждении, но защищает торцовые поверхности под сварку от насыщения углеродом и азотом на существенную глубину.

В результате предварительной нитроцементации и последующего напыления на катодных деталях удается создать надежное многослойное покрытие, имеющее в 2-3 раза более высокую, чем в известных способах, износостойкость в ионной плазме.

Повышение эксплуатационных характеристик катодных элементов в составе стационарных плазменных двигателей связано с особенностями формирования и структурой многослойных барьерных покрытий. Так, на титановых сплавах барьерное покрытие состоит из карбонитрооксидного слоя, который прочно связан с сердцевиной, из слоя титана и слоя нитрида титана, а на магнитомягкой высокохромистой стали вначале следует подслой с единичными карбидами (Fe, Cr)₃C, затем слой с 45-50 мас. карбидов (Fe, Cr)₇C₃ и зоной внутреннего окисления микротвердостью Н_0,49 500-530, на которую напыляется нитрид титана.

При практическом осуществлении детали катодов компенсаторов изготовляли из прутков сплавов ВТ-14, Вт-23 по ОСТ 90266-78, ОСТ 90173-75, прутков стали 16Х-ВИ по ГОСТ 10160-75, для термической обработки использовали вакуумные малоэнергоемкие печи СНВЛ-1,6 2,5.1/11И2 и СНВЛ-0,8 0,5/11М2, обработку вели в контейнерах из стали 12Х18Н10Т.

П р и м е р. Торцовые вставки катодов-компенсаторов стационарного плазменного двигателя М-100 изготовляли из титанового сплава ВТ-14 и обрабатывали по предложенному способу. Вначале вели обработку по наружному диаметру 24 мм и обрабатывали в окончательный размер рабочий канал диаметром 6 мм. Припуск по высоте вставки на последующую сварку составлял 1,1 мм. Детали устанавливали на приспособление из керамики БГП-10 горячепрессованной, предварительно нанеся пасту на нитроцементуемые поверхности с заполнением рабочего канала и наружной поверхности торцовой вставки. После сушки деталей с нанесенной пастой состава графит, анилин, декстрин, взятых в соотношении 1: 2: 1,5 (в мас.ч.) помещали садку в вакуумную печь СНВЛ-0,8. 0,5/11М2, после вакуумирования рабочего пространства нагревали до 900^оС и выдерживали в течение 2,5 ч. Охлаждение проводили развакуумированием печи и переносом садки в воду.

Напыление нитрида титана вели после снятия припуска по кольцевой проточке на установке ИПН-4 при температуре старения 560^оС, с выдержкой в течение 60 мин и нанесением слоя 10 мкм через подслой титана и по поверхности, подвергнутой ионно-плазменному полированию.

В результате обработки на рабочих поверхностях получен износостойкий, надежно связанный с основой слой суммарной толщиной 280 мкм с плавно изменяющейся микротвердостью последовательно из основного металла к поверхности Н_0,49388. 457. 516. 674. 728. 599. 601. 1170. 1450.

При этом ресурс работы каждого катода повысился до 3120 ч, или в 1,5 раза сравнительно с известной технологией обработки.

Одновременно обеспечивалась достаточно высокая электропроводность внутренней поверхности и оптимальное соотношение коэффициентов поглощения солнечной радиации А_s 0,46 со степенью черноты Е 0,39.

Трудоемкость изготовления и упрочняющей термической обработки сократилась в 2,5 раза, исключена деформация электродов по диаметру.

П р и м е р. Электродные вставки пускового электрода стационарного плазменного двигателя М-100М изготовляли из стали 16Х-ВИ и обрабатывали по предлагаемому способу. Перед напылением нитрида титана слоем 30 мкм проводили нитроцементацию в вакууме 10 мм рт.ст. при 910^оС в течение 3 ч с нанесением пасты, содержавшей графит, анилин и карбоксиметилцеллюлозу в соотношении 1: 1,2: 0,5 с установкой электродов на приспособление из керамики горячепрессованной БГП-М3. Охлаждение до температур ниже точки Кюри вели со скоростью 100^оС/ч, а затем с печью 20-50^оС/мин. Напыление нитрида титана вели на этой же оправке с разогревом в вакууме 10^-4 мм рт.ст. до температур термостабилизации 525^оС.

Обработка позволила получить износостойкий барьерный слой суммарной толщиной 320 мкм, обеспечивший повышение ресурса работы катода в 1,8 раза. Магнитные характеристики основного металла, являющегося магнитным экраном, составили Н_с 39-45 А/м, В₂₅ 11400 Т.

Микротвердость рабочих поверхностей послойно через 40 мкм составила Н_0,491640. 811. 692. 494. 477. 394. 289. 178.

При снижении трудоемкости обработки в 1,3 раза и упрощении процесса химико-термической обработки и напыления слоя эксплуатационные свойства материала повысились в 1,7 раза по сравнению с обработкой по известному способу.

В таблице приведены сравнительные характеристики деталей катода из титанового сплава BТ-1 при обработке по предложенной технологии.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КАТОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С РАБОЧИМ КАНАЛОМ, отличающийся тем, что катодные элементы изготавливают из титановых сплавов и высокохромистых магнитомягких сталей с проведением зонной нитроцементации в вакууме 0,3 - 10 мм рт.ст. при 900 - 910^oС в течение 2 - 3 ч с нанесением пасты, содержащей графит, аналин и связующее, устанавливая детали на насадках из горячепрессованной термостойкой керамики, а после снятия припуска по крепежной части напыляют нитрид титана толщиной слоя 8 - 30 мкм с установкой изделий в этих же оправках.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нитроцементацию ведут в пасте с соотношением графита, анилина и декстрина в соотношении 1 : 2 : 1,5.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нитроцементацию ведут в пасте с соотношением графита, анилина и карбоксиметалцеллюлозы в соотношении 1 : 1,2 : 0,5.

4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в пасту дополнительно вводят 10 - 15% антиокислителя - ионола.

5. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что перед вакуумным нагревом проводят сушку пасты в вакууме 1 - 10^-1 мм рт.ст.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев при зонной вакуумной нитроцементации проводят со скоростью 400 - 500^oС/ч.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что нитроцементацию стальных деталей ведут с одновременным отжигом на заданные магнитные свойства.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение после зонной нитроцементации проводят со скоростью 30 - 500^oС/мин.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении нитроцементации и напыления элементы устанавливают на насадки, выполненные из боронитридкремнистой керамики БГП-10, БТП-10Д.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что напыление нитрида титана ведут при 350 - 560^oС с одновременным старением основного материала.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что охлаждение проводят переносом деталей из вакуумного муфеля через воздух в закалочную среду.

12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что охлаждение проводят в закалочной среде вместе с керамической оснасткой.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что охлаждение после напыления нитридного слоя проводят в вакууме со скоростью 40 - 100^oС/мин.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что охлаждение проводят с регламентированной скоростью до 150 - 180^oС с последующей выдержкой на воздухе.

РИСУНКИ

Рисунок 1