Способ травления изделий с покрытиями из карбидов и нитридов тугоплавких металлов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ

Союз Советских

Социапистических .

Республик

<и1885352 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 17.12.79 (21) 2857646/22-02 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 301181. Бюллетень № 44

Дата опубликования описания 30. 11. 81 (51)PA. Кл з

С 23 F 1/02

Государственный комитет

ССС Р ло делам йзобретений и открыти и (53) УДК 621. 794.449 (088.8) Н.Б. Алхимов, В.П. Исаков и В.В. Косухин 4 (1-, (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ТРАВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ПОКРЫТИЯМИ

ИЗ КАРБИДОВ И НИТРИДОВ ТУГОПЛАВКИХ

МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к изготовлению деталей высокотемпературных теплообменных аппаратов, в частности к процессу обработки поверхности фасонных изделий с покрытиями.

В качестве покрытий на таких изделиях используют слои из карбидов и нитридов кремния, циркония, ниобия и тантала толщиной 30-100 мкм.

Получение таких покрытий чаще всего осуществляется методом газофазного осаждения. Специфика кристаллизации материала при газофаэном осаждении покрытий обусловливает шероховатость поверхности покрытий деталей.

Высокая твердость материалов покрытий и сложный профиль изделий практически исключают механические способы повышения чистоты поверхности, в связи с чем широко применяются химические способы травления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ устранения дефектов на поверхности, .заключающийся в обработке дефектного поверхностного слоя циркулирующим раствором, содержащим плавиковую и азотную кислоты, при

55-65ос $1).

Недостаток способа заключается в том, что невозможно локализовать процесс травления на поверкности изделий. Так, при травлении поверхностей с толщиной покрытия 10-20 мкм происходит травление покрытия на глубину слоя 10 мкм, а в случае низкоплотных покрытий глубина травления покрытия увеличивается. Следователь но, после очистки поверхности по по указанному способу, толщина покрытия может оказаться ниже допустимой (30 мкм).

Цель изобретения — предотвращение разрушения покрытий из карбидов и нитридов тугоплавких металлов на изделиях в процессе обработки.

2О Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем обработку в нагретом растворе плавиковой кислоты, изделия попеременно погружают в инертную к материалу покрытия жидкость, коэффициент поверхностного натяжения которой равен

0,9-1,1 коэффициента поверхностного натяжения травящего раствора, и в гравящий раствор, при этом продолжиЗО тельность каждого погружения в. инерт885352 ную .жидкость составляет 1-2 с, а в травящий раствор — 3-30 с.

Число циклов погружений определяют. по. формуле

А рь

K о СО

10 где А — постоянная, равная 2,3; плотность покрытия,г/см д — характерный размер шерохо ватости, см;

К вЂ” константа скорости реакции растворения, г/см . с; — продолжительность одной обработки, с;

Cp — безмерная концентрация травильного раствора.

В качестве инертной жидкости выбирают воду.

Способ осуществляется следующим образом.

Максимальный размер шероховатостей на поверхности покрытий фасонных изделий составляет 0,2 мм. При травлении шероховатостей такого размера глубина травления сплошного покрытия составляет 0,1 мм, что недопустимо 25

:,ухудшает его защитные качества.

Если же поверхность покрыта инертной жидкостью, например водой, то образующаяся пленка толщиной 0,050,10 мм экранирует поверхность по- 30 крытий от воздействия травителя, а шероховатости, выступающие над пленкой инертной жидкости, доступны воздействию травителя.

Эксперименты по изучению процесса растворения карбидных и нитридных покрытий с травителем (10%-ный раствор плавиковой кислоты) показывают, что время растворения покрытия описывается формулой и = — И

A S с

K CÎ где — время растворения покрытия, сек;

A — постоянная (A = 2,3); 45

Я вЂ” плотность покрытия, г/см

Ъ.

Ф - толщина покрытия, см;

К вЂ . константа скорости реакции растворения, г/см с;

С - безразмерная концентрация травителя (отношение истинной плавиковой кислоты к концентрации насыщенного раствора).

Для того, чтобы зафиксировать фронт реагирования на .поверхности покрытия, необходимо производить циклические погружения в раствор травителя. Число циклов погружения определяется из следующей формулы: .А Р и, d0 —, (Л1

ip <О где — средний характерный размер дефекта,см;

1p - время однократного погружения, с; 65

Формула (2) следует иэ Формулы (1), если заменить толщину покрытия о на средний линейный размер шероховатости д и учесть, что

/М

n= — ° (Э)

<о

Прерывание реакции растворения осуществляется погружением иэделий в инертную жидкость, например воду, имеющую коэффициент поверхностного натяжения близкий к коэффициенту поверх- ностного натяжения травителя (Зg = (0,9-1,1)6т).Указанное ограничение предотвращает конвективный перенос травителя к поверхности покрытия, обусловленный эффектом Марангони.

В процессе травления дефектов плавиковая кислота диффундирует через слой инертной жидкости к поверхности покрытия. Многократным погружением изделий, покрытых пленкой воды, в 10%-ный раствор плавиковой кислоты установлено, что при времени обработки травителем 0,05 Ф покрытие толщиной 10 мкм растворяется эа 600 циклов, а при времени обработки 0,10 Т вЂ” за 240 циклов. Отсюда следует, что при количестве циклов 20-40 растворяются шероховатости с характерным размером до 40 мкм.

Суммарное время растворения (n С ) падает с увеличением То,что свидетельствует о том, что при о ) 0,1Ф концентрация плавиковой кислоты, продиффундировавшей через пленку инертной жидкости, у поверхности покрытия уже значительна.

Так как при растворении карбидных и нитридных покрытий, толщиной

10 мкм величина 0;05 Ф 3-15 с, то выбирать время однократной обработки травителя ниже укаэанного значения технически нецелесообразно.

В таблице представлены константы скорости взаимодействия карбидов и нитридов циркония и ниобия с 10%-ным раствором плавиковой кислоты (Со =

0,1) при 50ОС, расчетные максимальные значения величин . ьо н и (для

A = 40 мкм), Пример. Изделие из карбида циркония, представляющее собой витой стержень .высотой 80 мм .(сеченне стержня — крест высотой 2,0 мм с толщиной стенки 0,2 мм), покрывают нитридом циркония (толщина. слоя 30 мкм).

Изделие попеременно погружают в травитель (10%-ный раствор плавиковой кислоты в воде) и воду,нагретые до 50О С..Время погружения в травитель составляет 15 с, в воду

1 с. Число циклов обработки равно 20.

Исследование степени полировки изделий на профилометре показывает, что чистота поверхности изделия при указанной обработке повышается. на

2 класса (с б-ro до 8-ro).

885352

Материал К, г/см с еах min min

10 5 14

0,0036

0,0012

NbC

30 15 14 28

МЬМ

6 3 1А

20 10 14

0,060

ZrC

0,0018

ZrN

Формула . изобретения

Составитель В. Олейниченко

Техред М.Голинка .. Корректор М.Пожо

Редактор В. Петраш

Заказ 10456/38 Тираж 1051 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4

Испытания на кручение изделий без обработки и прошедших циклическую обработку травителем показывают, что прочность изделий после обработки повыаается на 10-30% по сравнению с исходной.

Таким образом, предлагаемый способ..позволяет значительно снизить гидравлическое сопротивление в контурах высокотемпературных аппара1. Способ травления иэделий с покрытиями из карбидов и нитридов тугоплавких металлов, включающий обработку в нагретом растворе плавиковой кислоты, отличающийся тем, что, с целью предотвращения разрушения покрытий в процессе обработки, изделия попеременно погружают в инертную к материалу покрытия жидкость, коэффициент поверхностного натяжения ко .второй равен 0,9-1,Х коэффициентаповерхностного натяжения"травящего раствора, и в травящий раствор,. при этом продолжительность каждого погружения в инертную жидхость составляет. 1- . 2 с, а в травящий раствор

3-30 с.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ютов, причем толщина сплошного покрытия не уменьшается, а прочность иэделия увеличивается.

При работе аппарата уменьшение, его гидравлического сопротивления обеспечит получение экономического эффекта за счет повышения мощности при увеличении допустимого расхода теплоносителя. шийся тем, что количество циклов погружения определяют по формуле

А Я 6

К о Со где A — постоянная, равная 2, 3; — плотность покрытия, г/см

30 а — характерный размер шероховатости,см;

К вЂ” константа скорости реакции растворителя, г/см с; > — продолжительность одной

35 ., обработки, с, С0 — безразмерная концентрация травящего раствора.

3. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве инерт-;

4().. ной жидкости выбирают воду.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

-Р 165630, кл. С 23 F 1/02, 1962.