Способ нанесения покрытия
Владельцы патента RU 2415199:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нанесения покрытия на поверхность металлических изделий, таких как лопатки компрессора газотурбинных двигателей и установок, с целью повышения их служебных характеристик. Способ включает подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов на поверхности изделия в среде реакционного газа с образованием покрытия, кроме того, перед размещением изделия в зоне обработки на его поверхность наносят слой сплава на основе никеля толщиной 4-10 мкм, в качестве токопроводящего материала используют хром или его сплав, при этом одновременно с накоплением и диффузией ионов токопроводящего материала проводят бомбардировку поверхности ионами инертного газа с энергией 10-40 кэВ. Технический результат - повышение стойкости металлического изделия к солевой коррозии, повышение жаростойкости при сохранении эрозионной стойкости. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нанесения покрытия на поверхность металлических изделий, таких как лопатки компрессора газотурбинных двигателей и установок, с целью повышения их служебных характеристик.
Способ нанесения покрытия на поверхность металлического изделия путем бомбардировки ее ионами металлической плазмы широко известен в науке и технике. Способ включает предварительную подготовку поверхности, размещение изделия в вакуумной камере, генерацию в вакуумной камере плазмы материала модификатора одним из известных методов, формирование из плазмы ускоренного ионного пучка, направленного на поверхность обрабатываемого изделия, или непосредственную обработку поверхности изделия ионами плазмы при подаче на изделие отрицательного электрического потенциала. Вследствие внедрения ионов плазмы в поверхностный слой путем диффузии или имплантации и создания искажений в кристаллической решетке под действием ионной бомбардировки, а также изменения элементного состава поверхностного слоя происходит модифицирование поверхностного слоя детали за счет ее легирования, приводящее к изменению эксплуатационных свойств детали (Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. Под редакцией Дж.М.Поута, Г.Фоти, Д.К.Джекобсона. М.: Машиностроение. - 1987. - 424 с.).
Недостатком известного способа является низкая плотность ионного тока на поверхности изделия, а соответственно и низкая скорость обработки поверхности изделия, что ограничивает его применение в машиностроении.
Известен способ нанесения износостойких покрытий и повышения долговечности изделий, включающий нанесение на металлическую подложку катодным распылением трехслойного покрытия из чередующихся слоев, при этом первый слой получают в разряде нейтрального газа из одного или смеси переходных металлов IVA-VIA групп, второй - осаждением указанных металлов в смеси нейтрального и реакционных газов, а третий слой - осаждением в смеси нейтрального и реакционных газов нитридов, или карбидов, или боридов, или их смесей указанных металлов (Патент РФ №2161661).
Известен также способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия, включающий проведение перед нанесением многослойного покрытия ионной имплантации ионами азота и постимплантационный отпуск, совмещенный с нанесением многослойного покрытия, которое наносят многократным чередованием слоев титана, ε-нитрида титана и α-титана, причем постимплантационный отпуск и нанесения многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл (Патент РФ №2226227).
Недостатком известных способов является сложность технологии и высокая трудоемкость (много технологических переходов и технологических операций), низкая стойкость многослойных структур к эрозионному износу при лобовом ударе и относительно низкая их коррозионная стойкость и жаростойкость, приводящая к отслаиванию слоев покрытия при повышенных температурах.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является 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, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия, с образованием покрытия, где в качестве токопроводящего материала используют цирконий или сплав на основе циркония, а накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят при отрицательном потенциале на изделии 150-400 В в среде реакционного газа (Патент РФ №2308537).
Недостатками способа-прототипа являются недостаточная стойкость покрытия к солевой коррозии и жаростойкость при температуре 600-650°С.
Технической задачей изобретения является разработка способа нанесения покрытия, обеспечивающего повышение стойкости металлического изделия к солевой коррозии, жаростойкости, при сохранении его эрозионной стойкости.
Для достижения поставленной задачи разработан способ нанесения покрытия, преимущественно на стальные детали и лопатки компрессора газотурбинного двигателя, 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, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии в среде реакционного газа, с образованием покрытия, в котором перед размещением в зоне обработки изделия на его поверхность наносят слой сплава на основе никеля толщиной 4-10 мкм, в качестве токопроводящего материала используют хром или сплав на основе хрома, при этом одновременно с накоплением и диффузией ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят дополнительно ее бомбардировку ионами инертного газа с энергией 10-40 кэВ.
Слой сплава на основе никеля наносят на поверхность изделия магнетронным или вакуумно-дуговым осаждением.
В качестве реакционного газа используют ацетилен при давлении 0,1-0,3 Па.
Установлено, что при нанесении покрытия из сплава на основе хрома на подслой из никелевого сплава в атмосфере реакционного газа - ацетилена формируется твердый карбид хрома. Твердый подслой из сплава на основе никеля благодаря КТР (коэффициент термического расширения), близкому к стали и верхнему слою из карбида хрома, обеспечивает надежную адгезионную прочность покрытия и минимальный уровень остаточных напряжений в системе подложка-покрытие.
Нанесенный слой из никелевого сплава с карбидным упрочнением обеспечивает коррозионную стойкость системы «основа-покрытие», препятствуя проникновению коррозионной среды в глубину материала изделия за счет плотной структуры и состава легирующих элементов.
Дополнительная бомбардировка ионами инертного газа во время нанесения сплава на основе хрома в атмосфере реакционного газа позволяет сформировать более плотный карбид хрома, увеличивая его эрозионные свойства.
Наличие твердого металлического подслоя из сплава на основе никеля с карбидным упрочнением и верхнего слоя на основе плотного карбида хрома обеспечивает высокую жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость композиции основа-покрытие.
Примеры осуществления
Пример 1. Для нанесения покрытия на поверхность изделия, например рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя из стали ЭП866, проводили предварительную подготовку поверхности изделий (удаление загрязнений и обезжиривание). Нанесение покрытия на поверхность металлического изделия проводили на промышленной ионно-плазменной установке МАП-3 с компьютерной системой управления технологическим процессом, имеющей газоразрядный источник ионов аргона Е×Н типа с током до 200 мА и напряжением до 3 кВ, вакуумно-дуговой генератор плазмы токопроводящего материала с током до 750 А, систему для подачи в вакуумный объем реакционного газа и регулирования его давления, систему для подачи и регулирования напряжения на обрабатываемые изделия в диапазоне от 0 до 900 В, газоразрядный ионный ускоритель с током до 40 мА и напряжением до 40 кВ, а также планетарный привод вращения на 24 позиции для размещения обрабатываемых изделий. Затем размещали в зоне обработки изделие, с предварительно нанесенным одним из известных способов, например магнетронным или вакуумно-дуговым осаждением, слоем (толщиной 4 мкм) из сплава на основе никеля (СДП-2), и токопроводящий материал - сплав на основе хрома (ВХ1) и создавали в зоне обработки вакуум при давлении Р≤0,1 Па. Затем опускали газоразрядный источник ионов аргона в зону обработки изделия и начинали процесс ионной очистки поверхности изделия бомбардировкой ионами инертного газа (аргона) с энергией 0,5-3 кВ. После завершения процесса (процесс длится 15-20 минут) газоразрядный источник ионов аргона удаляли из зоны обработки изделия и подавали отрицательный потенциал на токопроводящий материал φ1=-(80-100) В и отдельно на лопатку φ2=-(300-600) В. Затем включали газоразрядный ионный ускоритель с параметрами: ток ионного пучка 30 мА, ускоряющее напряжение 10 кВ, и начинали бомбардировку изделий ионами аргона. После чего одним из известных способов, например путем разрыва токового контакта, на токопроводящем материале возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого материала с образованием плазмы токопроводящего материала (сплава на основе хрома). Процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала очистки и ионного нагрева поверхности изделия проводили при φ2=-300 В и токе вакуумной дуги 600 А. Процесс очистки поверхности изделия и ее термоактивации длился ~3 минуты (контроль по снижению частоты пробоев в цепи источника подачи потенциала на деталь до 5-20 Гц). Дополнительно проводили бомбардировку поверхности ионами (энергия ионов 10 кэВ) с одновременным накоплением и диффузией ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии 100-200 В при давлении 0,15 Па и температуре поверхности изделия 500-520°С, что ниже температуры ее разупрочнения на 100°С.
По способу-прототипу покрытие наносили на изделие из стали ЭП 866.
Полученные образцы и лопатки подвергались следующим исследованиям и испытаниям:
- на коррозионную стойкость по методике ускоренных испытаний, включающей выдержку в спокойной атмосфере печи при температуре 650°С в течение 1 ч, охлаждение в 3% p-pe NaCl и выдержку в эксикаторе в течение 22 ч;
- на жаростойкость в спокойной атмосфере печи при температуре 650°С в течение 500 ч, после чего определяли удельный привес (Δmуд, г/м2) после проведения испытаний и сравнивали внешний вид образцов;
- на относительную эрозионную стойкость при углах атаки 20 и 70 град. пылевоздушного потока на основе речного песка с фракцией до 700 мкм и расходе песка 1,23 кг. Определяли отношение уноса массы образцов с покрытием к уносу массы без покрытия при углах атаки 20 и 70 град. - ε20 и ε70;
Примеры 2, 3 аналогичны примеру 1, но в примере 2 наносят слой сплава на основе никеля - СДП-1, а в примере 3 - ВЖЛ-2, параметры способа и свойства изделий с покрытием приведены в таблице.
| Таблица | ||||||
| №, № | Токопроводящий материал/ энергия ионов Ar, кэВ | Толщина слоя сплава на основе никеля, мкм | Жаростойкость 100 ч, г/м2 при t=650°C | Коррозионная стойкость при t=650°C, циклы до появления точек коррозии | Относительный эрозионный унос | |
| ε20 | ε70 | |||||
| 1 | Cr/10 | 4 | 1,5 | 10 | 0,1 | 0,06 |
| 2 | Cr/30 | 7 | 1,39 | 12 | 0,07 | 0,04 |
| 3 | Cr/40 | 10 | 1,2 | 15 | 0,04 | 0,04 |
| 4 | Прототип Zr | - | 3,5 | 5 | 0,1 | 0,06 |
Нанесение покрытия на сталь ЭП866 приводит по сравнению с прототипом к повышению жаростойкости в 2-2,5 раза и в 2-3 раза стойкости поверхности к солевой коррозии, при сохранении высокой эрозионной стойкости.
Применение изобретения в промышленности для нанесения покрытия на поверхность стальных лопаток компрессора газотурбинных двигателей и установок повышает их надежность и ресурс.
1. Способ нанесения покрытия на металлические изделия, преимущественно на стальные детали и лопатки компрессора газотурбинного двигателя, 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, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии в среде реакционного газа с образованием покрытия, отличающийся тем, что перед размещением в зоне обработки изделия на его поверхность наносят слой сплава на основе никеля толщиной 4-10 мкм, в качестве токопроводящего материала используют хром или сплав на основе хрома, при этом одновременно с накоплением и диффузией ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят дополнительную бомбардировку поверхности ионами инертного газа с энергией 10-40 кэВ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой сплава на основе никеля наносят на поверхность изделия магнетронным или вакуумно-дуговым осаждением.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реакционного газа используют ацетилен при давлении в диапазоне 0,1-0,3 Па.
