Способ обработки поверхности металлического изделия
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модифицирования поверхности деталей машин с целью повышения их служебных характеристик. Осуществляют предварительную подготовку поверхности изделия. Очистку и нагрев изделия проводят бомбардировкой ионами плазмы токопроводящего материала. Диффузию ионов токопроводящего материала в поверхность изделия, в котором в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе алюминия, проводят на глубину до 30 мкм при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 220-600 В. Затем проводят осаждение токопроводящего материала на поверхность изделия на величину до 12 мкм при отрицательном потенциале на изделии не более 100 В, после чего проводят термообработку. В качестве токопроводящего материала используют сплав на основе алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: кремний 4-12; кобальт 5-15; иттрий 0,1-0,6; алюминий - остальное. Термообработку металлического изделия проводят на воздухе при температуре 600-620°С в течение 4-6 часов. Применение изобретения в промышленности для обработки поверхности лопаток компрессора значительно снижает стоимость процесса ионной обработки поверхности изделий. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модифицирования поверхности деталей машин с целью повышения их служебных характеристик.
Известен способ обработки поверхности металлического изделия ионами плазмы, генерируемой вакуумным дуговым разрядом, который включает предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, диффузию и накопление ионов токопроводящего материала на поверхности изделия. Ионы токопроводящего материала ускоряются электрическим полем изделия и в зависимости от энергии ионов и температуры на поверхности изделия имеет место либо преимущественное осаждение токопроводящего материала (покрытие), либо преимущественное модифицирование (легирование) поверхности за счет диффузии в поверхность ионов токопроводящего материала (патент РФ №2164550).
Однако известный способ не позволяет использовать токопроводящий материал модификатора и конкретные режимы обработки поверхности изделий из конструкционных сталей для повышения их служебных характеристик, например коррозионной стойкости, жаростойкости и др., что ограничивает применение способа в машиностроении.
Известен также способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии, включающий последовательное осаждение в вакууме на поверхности пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из сплава на основе никеля, последующее осаждение второго слоя из сплава на основе алюминия и термообработку детали с покрытием (патент РФ №2165475).
Недостатком способа является его высокая трудоемкость, так как покрытие на поверхность изделия наносится в две стадии, что ограничивает применение способа в промышленности.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, очистку и нагрев поверхности изделия бомбардировкой ионами плазмы токопроводящего материала накопление и диффузию ионов токопроводящего материала в поверхность изделия. В известном способе в качестве токопроводящего материала модификатора используют титан или сплав титана с цирконием, что позволяет при обработке изделий из конструкционных сталей существенно повысить стойкость изделий к солевой коррозии (патент РФ №2188251).
Однако титанирование и титаноцирконирование поверхности изделий из конструкционных сталей приводит к снижению на 10-12% предела усталостной прочности обработанных изделий. Кроме того, недостатком известного способа обработки поверхности изделий из конструкционных сталей является снижение предела усталостной прочности изделия, а также высокая стоимость токопроводящего материала из титана или сплава титана с цирконием, что ограничивает применение способа в машиностроении.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение предела усталостной прочности (выносливости) изделия при сохранении высокой стойкости изделия к солевой коррозии, а также снижение стоимости процесса ионной обработки поверхности. Для достижения поставленной задачи предложен способ обработки поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, очистку и нагрев изделия бомбардировкой ионами плазмы токопроводящего материала и диффузию ионов токопроводящего материала в поверхность изделия, в котором в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе алюминия, диффузию ионов токопроводящего материала в поверхность изделия проводят на глубину до 30 мкм при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 220-600 В, затем проводят осаждение токопроводящего материала на поверхность изделия на величину до 12 мкм при отрицательном потенциале на изделии не более 100 В, после чего проводят термообработку изделия.
В качестве токопроводящего материала используют сплав на основе алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний 4-12
Кобальт 5-15
Иттрий 0,1-0,6
Алюминий Остальное
Металлическое изделие выполнено из стали, сплава на основе никеля, или кобальта, или титана.
Термообработку металлического изделия проводят на воздухе при температуре 600-620°С в течение 4-6 часов.
Бомбардировка поверхности изделия ионами плазмы токопроводящего материала сопровождается очисткой поверхности, ионным нагревом изделия и ионным травлением его поверхности. Степень нагрева определяется величиной отрицательного потенциала, подаваемого на изделие, и током ионов, бомбардирующих поверхность, который, в свою очередь, пропорционален току вакуумно-дугового разряда, горящего в парах токопроводящего материала (сплава на основе алюминия). При достижении поверхности изделия определенной, для каждой пары материала изделия и токопроводящего материала, температуры начинается процесс ускоренной термостимулированной диффузии ионов плазмы токопроводящего материала (ионов сплава на основе алюминия) в поверхность металлического изделия. При достижении скорости диффузии, превышающей скорость ионного травления поверхности изделия, начинается процесс ионного насыщения поверхности изделия токопроводящим материалом, т.е. диффузия токопроводящего материала в поверхность изделия. Поэтому ведение процесса обработки поверхности при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 220-600 В и нагреве изделия из стали ионной бомбардировкой до температуры 
(420-430)°С, при которой скорость ускоренной ионной диффузии частиц токопроводящего материала из сплава на основе алюминия в поверхность изделия начинает превышать скорость ионного травления этой поверхности до температуры разупрочнения материала изделия в вакууме (700°С, для стали), позволяет получать на поверхности изделия диффузионный железоалюминидный слой, легированный элементами, входящими в токопроводящий материал из сплава на основе алюминия. Максимальная глубина диффузионного слоя при этом достигает значений до 30 мкм. При отрицательном напряжении на изделии свыше 600 В скорость ионного травления поверхности изделия из стали в плазме сплава на основе алюминия начинает превышать скорость ее ионного насыщения. При этом возможен нагрев поверхности изделия из стали до температуры свыше 700°С. Наиболее высокие значения стойкости к солевой коррозии имеют изделия, поверхность которых обработана в плазме токопроводящего материала из сплава на основе алюминия, имеющего следующее соотношение компонентов, мас.%:
Кремний 4-12
Кобальт 5-15
Иттрий 0,1-0,6
Алюминий Остальное
В легированном железоалюминидном слое возникают напряжения сжатия на уровне 100-120 МПа, что приводит к увеличению предела усталостной прочности обработанного изделия. Последующее осаждение токопроводящего материала на поверхность изделия на величину до 12 мкм при отрицательном потенциале 
на изделии не более 100 В обеспечивает в комплексе с диффузионным слоем на поверхности изделия высокие защитные свойства обработанной поверхности. Исследования показывают, что такой слой обладает высокой стойкостью к солевой коррозии, что позволяет использовать обработанную сталь в морских и тропических условиях, т.е. во всеклиматических условиях. При больших толщинах осажденного слоя наблюдается снижение предела усталостной прочности обработанного изделия, а при отрицательном потенциале на изделии более 100 В наблюдается снижение скорости осаждения более чем в два раза по сравнению со скоростью осаждения при =10 В и наблюдаются значительные изменения содержания элементов сплава на основе алюминия в осажденном слое (содержание кремния и иттрия снижается более чем в два раза по сравнению с его содержанием в алюминиевом сплаве). Применение термообработки изделия на воздухе при t=600-620°C в течение 4-6 часов позволяет стабилизировать состояние поверхностного слоя изделия и обеспечивает формирование на поверхности оксидного слоя, способствующего повышению жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности изделия. Применение в качестве токопроводящего материала сплава на основе алюминия и переход на процесс ионной обработки поверхности изделия позволяет в целом значительно снизить стоимость ионной обработки по сравнению с процессом титанирования или титаноцирконирования поверхности (стоимость алюминиевого сплава более чем в 5 раз ниже стоимости титанового и более 20 раз циркониевого материала). Поэтому применение в качестве токопроводящего материала сплава на основе алюминия и проведение процесса диффузионного насыщения поверхности при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 220-600 В на глубину до 30 мкм и последующее осаждение на поверхности изделия токопроводящего материала на величину до 12 мкм при отрицательном потенциале на изделии не более 100 В и термообработка изделия позволяет достигнуть технической задачи изобретения, а именно повышение предела усталостной прочности изделия при одновременном сохранении высокой стойкости изделия к солевой коррозии, а также снижение стоимости процесса ионной обработки изделия.
Обработка поверхности изделия из жаропрочного сплава ЖС6У на основе никеля и титанового сплава ВТ9 по предлагаемому способу также приводит к повышению служебных характеристик этих сплавов.
Сущность изобретения поясняется примерами.
Пример 1-6. Для обработки поверхности изделия, например рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя из стали ЭП866 и образцов из этой стали, проводили предварительную подготовку (удаление загрязнений и обезжиривание) поверхности лопатки и образцов, после этого размещали в зоне обработки лопатку, образцы и токопроводящий материал (сплав на основе алюминия), создавали в зоне обработки вакуум при давлении Р10 -3 Па. Затем подавали отрицательный потенциал на сплав на основе алюминия 1=-(30-90) В и отдельно на лопатку 2=-200-600 В, после чего одним из известных способов, например путем разрыва токового контакта на сплаве на основе алюминия, возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, и начинали процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала для очистки и ионного нагрева поверхности изделия при 2=220 В и токе вакуумной дуги 100-700 А. Процесс очистки поверхности изделия и ее термоактивации длился 2-10 минут. Затем проводили в течение 5-30 минут осаждение токопроводящего материала на поверхность изделия при отрицательном потенциале на изделии 50 В, что соответствует толщине слоя на поверхности изделия до 12 мкм по режиму t=(600-620)°C в течение 5 час. Глубину диффузионного слоя определяли металлографическим анализом по микрошлифам, изготовленным из образцов стали ЭП866, прошедших первую стадию обработки при 2=220-600 В по режимам обрабатываемых лопаток из этой же стали. Испытания на солевую коррозию проводили по методике ускоренных циклических испытаний в 3% растворе NaCl при температуре нагрева, равной 600°С.
В каждом цикле испытаний образцы выдерживали в печи на воздухе при температуре 600°С в течение 1 часа, затем подстуживали на воздухе 1,5-2 мин и погружали в 3% раствор NaCl, а далее выдерживались во влажном эксикаторе 22-24 часа. Количество циклов испытаний составляло 10. После каждого цикла испытаний проводили осмотр образцов (визуально и с помощью бинокулярного микроскопа) и их взвешивание на аналитических весах. Коррозионную стойкость оценивали как отношение площади образца, подверженной коррозии, к площади образца в процентах после 10 циклов испытаний. В качестве сплава на основе алюминия использовали сплав системы Al-Co-Si-Y. Предел выносливости определяли по стандартной методике на тороидных образцах при симметричном цикле нагружения.
Пример 7. Пример аналогичен примеру 1-6, но в качестве металлического изделия использовали образцы из жаропрочного сплава ЖС6У на основе никеля.
Пример 8. Пример аналогичен примеру 1-6, но в качестве металлического изделия использовали образцы из сплава ВТ9 на основе титана.
Пример 9. Пример способа-прототипа.
Пример 10. Образцы из сплава ЭП866 испытывали на стойкость к солевой коррозии и предел выносливости без обработки поверхности.
Полученные результаты представлены в таблице.
Как видно из таблицы, обработка поверхности лопатки из стали ЭП866 в плазме сплава на основе алюминия системы Al-Co-Si-Y приводит по сравнению с прототипом и стали ЭП866 без обработки к повышению до 12% предела выносливости при сохранении повышенной стойкости поверхности изделия к солевой коррозии. Аналогичные результаты получены и для компрессорных сталей ЭИ961 и стали (сплава) ЭП718. Наряду с этим обработка поверхности стальных изделий в плазме сплава на основе алюминия позволяет от 3 до 5 раз повысить жаростойкость стальных изделий из перечисленных сплавов при температуре испытаний 650°С, не снижает длительную жаропрочность при температуре 600°С и позволяет до 10-12% повысить предел выносливости сталей и тем самым позволяет повысить служебные характеристики изделий (ответственных деталей машин). Это дает возможность использовать лопатки компрессора газотурбинного двигателя, изготовленные из сталей, стойких в общеклиматических условиях эксплуатации, во всеклиматических условиях эксплуатации (тропики, морские условия). Обработка поверхности изделия из жаропрочного сплава
ЖС6У на основе никеля и сплава ВТ9 на основе титана в плазме алюминиевого сплава также приводит к существенному повышению жаростойкости и коррозионной стойкости этих материалов.
Применение изобретения в промышленности для обработки поверхности лопаток компрессора значительно снижает стоимость процесса ионной обработки поверхности изделий.
Формула изобретения
1. Способ обработки поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, очистку и нагрев изделия бомбардировкой ионами плазмы токопроводящего материала и диффузию ионов токопроводящего материала в поверхность изделия, отличающийся тем, что в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе алюминия, диффузию ионов токопроводящего материала в поверхность изделия проводят на глубину до 30 мкм при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 220-600 В, затем проводят осаждение токопроводящего материала на поверхность изделия на величину до 12 мкм при отрицательном потенциале на изделии не более 100 В, после чего проводят термообработку изделия.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний 4-12
Кобальт 5-15
Иттрий 0,1-0,6
Алюминий Остальное
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что металлическое изделие выполнено из стали, сплава на основе никеля или кобальта, или титана.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термообработку металлического изделия проводят на воздухе при температуре 600-620°С в течение 4-6 ч.
