Способ получения износостойкого высокотемпературного покрытия
Владельцы патента RU 2570274:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к технологии нанесения ионно-плазменных покрытий и может быть использовано для обработки поверхности металлических изделий, таких как детали трения в компрессоре газотурбинных двигателей и установок. Способ получения покрытия на поверхности металлического изделия включает предварительную подготовку поверхности изделия, размещение изделия и токопроводящего материала в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах указанного материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия в газовой среде при температуре указанной поверхности ниже температуры разупрочнения материала изделия с образованием покрытия. Используют токопроводящий материал из титана или сплава на основе титана, а накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят в среде реакционного газа азота или в среде реакционного газа азота и инертного газа аргона при отрицательном потенциале на изделии 80-100 В и при бомбардировке поверхности изделия газовыми ионами с энергией 20-40 кэВ. Обеспечивается повышение износостойкости металлического изделия при сохранении его жаростойкости. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.
Изобретение относится к технологии нанесения ионно-плазменных покрытий и может быть использовано для обработки поверхности металлических изделий, таких как детали трения в компрессоре газотурбинных двигателей и установок.
Широко известен способ нанесения покрытия на поверхность металлического изделия путем бомбардировки ее ионами металлической плазмы. 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 (RU 2161661 С1, 10.01.2001).
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 (RU 2226227 С1, 27.03.2004).
Недостатками известных способов являются сложность технологии и высокая трудоемкость (много технологических переходов и технологических операций), низкая стойкость многослойных структур к эрозионному износу при лобовом ударе абразивного потока и относительно низкая их коррозионная стойкость и жаростойкость, приводящая к отслаиванию слоев покрытия при повышенных температурах.
Наиболее близким аналогом 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 (RU 2308537 С1, 20.10.2007).
Недостатком способа-прототипа является то, что нитрид циркония, образующийся на поверхности во время бомбардировки изделия ионами токопроводящего материала, не способен работать при высоких температурах, в связи с чем получаемое покрытие имеет низкую износостойкость при температурах свыше 400°С.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости металлического изделия при сохранении его жаростойкости.
Для достижения технического результата разработан способ получения покрытия на поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение изделия и токопроводящего материала в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах указанного материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия в газовой среде при температуре указанной поверхности ниже температуры разупрочнения материала изделия с образованием покрытия, при этом в качестве токопроводящего материала используют титан или сплав на основе титана, а накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят в среде реакционного газа азота или в среде реакционного газа азота и инертного газа аргона при отрицательном потенциале на изделии 80-100 В и при бомбардировке поверхности изделия газовыми ионами с энергией 20-40 кэВ.
Накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия предпочтительно проводить в среде реакционного газа азота и инертного газа аргона при соотношении 2-9 объемных частей азота к 1 объемной части аргона и при суммарном давлении реакционного и инертного газов 0,1-0,4 Па.
В качестве токопроводящего материала предпочтительно использовать сплав на основе титана, включающий от 0 до 7 мас. % алюминия и от 0 до 3,5 мас. % молибдена.
После накопления и диффузии ионов токопроводящего материала предпочтительно провести финишную обработку поверхности изделия до получения ее шероховатости R<0,5 мкм.
Предварительную обработку поверхности изделия можно осуществлять, например, путем пескоструйной обработки, виброгалтования или виброгалтования, совмещенным с виброполировкой, обдувкой стеклянными микрошариками размером 200-250 микрон или же различными электрохимическими методами.
Предварительное виброгалтование, например, в течение 6 часов при амплитуде бочки 5 может позволить получить подготовленную поверхность перед нанесением покрытия с шероховатостью Ra<1,5 мкм и сформировать сжимающие напряжения в поверхностном слое детали, что повышает усталостную прочность системы "основа-покрытие".
Установлено, что при нанесении покрытия из сплава на основе титана в атмосфере реакционного газа - азота или смеси азота и аргона за счет плазмохимической реакции формируется нитрид титана или нитрид сплава на основе титана, который повышает износостойкость защищаемой основы за счет высокой твердости (~33 ГПа).
В качестве токопроводящего материала предпочтительно использовать сплав на основе титана, включающий от 0 до 7 мас. % алюминия и от 0 до 3,5 мас. % молибдена. Покрытие из данного сплава обладает высокой жаростойкостью за счет образования оксидной пленки сложного состава, более стойкой к высокотемпературному воздействию окружающей среды.
Диапазон отрицательного потенциала на изделии (напряжение смещения) 80-100 В выбран из расчета на то, что при меньшем значении напряжения смещения не обеспечивается достаточная твердость покрытия и износостойкость покрытия за счет образования нитридного соединения с меньшей энергией связи и тем самым меньшей твердостью. При больших значениях напряжения смещения начинает разупрочняться основа, что приводит к падению механических свойств.
Бомбардировка поверхности изделия газовыми ионами с энергией 20-40 кэВ повышает плотность покрытия, а также меняет межплоскостное расстояние в кристаллической решетке нитридного соединения титана или его сплава. Это уменьшает количество дефектов в покрытии.
Предпочтительно, чтобы смесь реакционного газа азота с инертным газом аргоном была в соотношении 2-9 объемных частей азота к 1 объемной части аргона при суммарном давлении реакционного и инертного газов 0,1-0,4 Па. При данном соотношении формируется нитридное соединение стехиометрического состава на основе титана или его сплава, в котором на один металлический атом приходится один атом азота.
После накопления и диффузии ионов токопроводящего материала предпочтительно провести финишную обработку поверхности изделия (например, виброполировку или шлифовку) до получения ее шероховатости Ra≤0,5 мкм.
В совокупности с бомбардировкой поверхности по вышеуказанному режиму, финишная обработка поверхности позволяет снизить коэффициент трения и повысить износостойкость за счет уменьшения количества дефектов и высокой твердости покрытия.
Примеры осуществления
Пример 1. Для нанесения покрытия на поверхность диска рабочего колеса, выполненного из сплава на основе титана ВТ8, проводили предварительную подготовку поверхности изделий (удаление загрязнений и обезжиривание). Нанесение покрытия на поверхность металлического изделия проводили на промышленной ионно-плазменной установке МАП-3 с автоматической системой управления технологическим процессом, имеющей газоразрядный источник ионов аргона ЕхН 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 в зоне обработки размещали изделие и токопроводящий материал - сплав на основе титана ВТ 1-0. Создали в зоне обработки вакуум при давлении Р≤0,1 Па. Опустили газоразрядный источник ионов аргона в зону обработки изделия и начали процесс ионной очистки поверхности изделия бомбардировкой ионами инертного газа (аргона) с энергией 0,5-3 кВ. Процесс проводили в течение приблизительно 15-20 минут. После его завершения из зоны обработки изделия удалили газоразрядный источник ионов аргона и подавали отрицательный потенциал на токопроводящий материал φ1=-90±10 В и отдельно на лопатку φ2=-90±10 В. Затем путем разрыва токового контакта на токопроводящем материале возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого материала с образованием плазмы материала (сплава на основе титана). Процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала очистки и ионного нагрева поверхности изделия проводили при φ2=-100 В и токе вакуумной дуги 450 А. Процесс очистки поверхности изделия и ее термоактивации длился приблизительно 3 мин. Затем проводили накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии - 90±10 В в среде реакционного газа азота при давлении 0,15 Па и температуре поверхности изделия 400-420°С, что ниже температуры ее разупрочнения на 30°С.
Пример 2 проводили аналогично примеру 1, однако накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии проводили при давлении 0,4 Па.
Пример 3 проводили аналогично примеру 2, однако перед возбуждением вакуумной дуги газоразрядный ионный ускоритель включили со следующими параметрами: ток ионного пучка - 30 мА, ускоряющее напряжение - 30 кВ. Затем начали бомбардировку изделий ионами сплава на основе титана ВТ1-0, при этом также дополнительно проводили бомбардировку поверхности ионами аргона (энергия ионов составляла 30 кэВ) с одновременным накоплением и диффузией ионов токопроводящего материала на поверхности изделия.
Пример 4 проводили аналогично примеру 3, однако после накопления и диффузии ионов токопроводящего материала проводили финишную обработку поверхности (полировку), снизив ее шероховатость.
Пример 5 проводили аналогично примеру 3, однако в качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе титана ВТ8 (содержание алюминия 7 мас. %, молибдена - 3,5 мас. %).
Пример 6 проводили аналогично примеру 5, однако после накопления и диффузии ионов токопроводящего материала проводили финишную обработку поверхности (полировку), снизив ее шероховатость.
В примере 7 по способу-прототипу, покрытие наносили на изделие из титана ВТ8М-1 при параметрах осаждения аналогично примеру 1. В качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе циркония Э110.
Полученные контрольные образцы подвергались следующим исследованиям и испытаниям:
- испытание на жаростойкость проводили в атмосферной печи при температуре 450°С в течение 300 часов, после чего определяли удельный привес (Δmyд, г/м2) и сравнивали внешний вид образцов;
- испытание на износостойкость проводили согласно стандарта ASTM G-99 05-2005 при температуре 450°С, используя в качестве контртела шарик из карбида вольфрама. Уровень нагрузки составлял 10 Н. Скорость вращения диска в контакте с шариком составляла приблизительно 0,1 м/с. Испытание проводили в течение 1 часа. Затем определяли линейный износ, сравнивая его с линейным износом диска без покрытия.
Параметры процесса получения и свойства покрытия представлены в таблице. Из таблицы видно, что обработка поверхности металлических изделий по предложенному способу приводит к увеличению износостойкости обработанной поверхности по сравнению с основой без покрытия в 3-17 раз. Наличие в составе токопроводящего материала алюминия и молибдена увеличивает жаростойкость системы металлическое изделие - покрытие.
| Таблица | |||||||
| Параметры процесса получения и свойства покрытия. | |||||||
| № п/п | Давление в рабочей камере, Па | Наличие газов в рабочей камере | Соотношение объемных частей азота и аргона, VΝ2/VΑr |
Содержание алюминия и молибдена в сплаве катода Al, мас. % / Мо, мас. % | Жаростойкость: 300 часов при t=450°C, г/м2 | Шероховатость поверхности Ra, мкм | Повышение износостойкости по сравнению с основой, раз |
| По предложенному способу | |||||||
| 1. | 0,15 | Азот | - | -/- | 0,35 | >1 | 3 |
| 2. | 0,4 | Азот | - | -/- | 0,33 | >1 | 4 |
| 3. | 0,4 | Азот и аргон | 9/1 | -/- | 0,31 | >1 | 5, 6 |
| 4. | 0,4 | Азот и аргон | 9/1 | -/- | 0,3 | <0,5 | 17 |
| 5. | 0,4 | Азот и аргон | 2/1 | 7/3,5 | 0,25 | >1 | 4, 5 |
| 6. | 0,4 | Азот и аргон | 9/1 | 7/3,5 | 0,25 | <0,5 | 16 |
| По способу-прототипу | |||||||
| 7. | 0,66 | Азот | - | -/- | 0,5 | >1 | 3 |
1. Способ получения покрытия на поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение изделия и токопроводящего материала в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах указанного материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия в газовой среде при температуре указанной поверхности ниже температуры разупрочнения материала изделия с образованием покрытия, отличающийся тем, что используют токопроводящий материал из титана или сплава на основе титана, а накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят в среде реакционного газа азота или в среде реакционного газа азота и инертного газа аргона при отрицательном потенциале на изделии 80-100 В и при бомбардировке поверхности изделия газовыми ионами с энергией 20-40 кэВ.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят в среде реакционного газа азота и инертного газа аргона при соотношении 2-9 объемных частей азота к 1 объемной части аргона и при суммарном давлении реакционного и инертного газов (0,1-0,4) Па.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе титана с алюминием до 7 мас.% и молибденом до 3,5 мас.%.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после накопления и диффузии ионов токопроводящего материала проводят финишную обработку поверхности изделия до получения ее шероховатости Ra<0,5 мкм.
