LV14967B - Metālisku izstrādājumu karstumizturības paaugstināšanas paņēmiens - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums attiecas uz metalurģijas nozari, it īpaši uz mašīnu detaļu aizsargpārklājumu veidošanas procesiem, un var tikt izmantots mašīnbūvē, galvenokārt aviācijas vai kuģu būvniecībā, piemērām, gāzes turbīnas dzinēju lāpstiņu remontēšanā un ražošanā. Izgudrojuma pielietošana ļauj būtiski paaugstināt dažādu mašīnbūves izstrādājumu karstumizturību un izturību pret augsttemperatūras gāzes koroziju.

Zināmais tehnikas līmenis

Ir zināmi dažādi mašīnbūves izstrādājumu aizsargpārklājumu veidošanas paņēmieni. Piemēram, ir zināms paņēmiens, kas paredz detaļu virsmu aizsargpārklājuma veidošanu ar galvanisko paņēmienu, piemēram, ar hromēšanu (Golego N.L. et. al. Remont letatelnyh apparatov. - Moskva, Transport, 1977.- 424 p). Šis paņēmiens atšķiras ar iespēju regulēt vienslāņa pārklājuma īpašības ar elektrolīzes režīmu maiņu. Tomēr minētais paņēmiens nav atradis plašu pielietojumu šī pārklājuma veida paaugstinātā trausluma dēļ, kas praksē bieži vien pieved pie tā šķautņu atšķelšanās. Pie tam dotais paņēmiens nenodrošina detaļu, kas darbojas augstu temperatūru apstākļos, aizsardzību, bet pārklājuma veidošanā realizējamais tehnoloģiskais process neatbilst ekoloģiskās drošības prasībām.

Ir zināms arī vienslāņa daudzkomponentu aizsargpārklājumu veidošanas paņēmiens helikoptera gāzes turbīnu dzinēju lāpstiņām (Skazhutyn Yu. A. et. al. Sposob khimikotermicheskoy obrabotki splavov na nikelevoy osnove - Autorapliecība SU 1527320, 1989). Paņēmienu īsteno šādā veidā: gatavo suspensiju ar šādu komponentu masas saturu: alumīnija pulveris - 10 līdz 15 %, cirkonija pulveris - 1 līdz 10 %. Kā saistvielu izmanto 20 līdz 40 % lakas šķīdumu. Pēc komponentu samaisīšanas suspensiju 20 līdz 30 minūtes pakļauj ultraskaņas apstrādei. Suspensiju uzklāj uz iepriekš sagatavotās lāpstiņas virsmas ar krāsu pulverizatoru, pēc tam stundu veic izstrādājuma žāvēšanu un tālāk 1 līdz 2 stundas veic augsttemperatūras atkvēlināšanu. Minētais paņēmiens ļauj veidot vienslāņa divkomponentu pārklājumus, kuriem tomēr ir raksturīga zema adhēzijas izturība un zema ekspluatācijas ilgizturība. Turklāt minētajam paņēmienam ir zema precizitāte un tehnoloģiska sarežģītība, un tas arī ir izmantojams tikai uz detaļām, kas izgatavotas uz niķeļa bāzes.

Ir zināms pārklājumu jonu-plazmas nogulsnēšanas paņēmiens, atbilstoši kuram iegūst daudzslāņu pārklājumu, kas sastā vismaz no diviem komponentiem, pie tam pārklājuma saturs var mainīties pēc tā biezuma (patentpieteikums US 4814056). Minētais paņēmiens ir tehnoloģiski sarežģīts. Starp nogulsnēšanas avotu un detaļas virsmu novieto aizsargmasku ar izgriezumu. Maskas pārvietošanai pielieto speciālu mehānismu. Tas ievērojami samazina pārklājuma uzklāšanas precizitāti ar tā komponentu nepieciešamas sakombinēšanas un sadalījuma saglabāšanu. Iegūtajam aizsargpārklājumam pēc ķīmiskā sastāva aizsargmaskas pārtrauktas pārvietošanas dēļ ir diskrēts raksturs ar spilgti izteiktu pārklājumu īpašību kārtnību. Tāda kārtnība izraisa iekšējo spriegumu rašanos, kas noved pie detaļu ekspluatācijas īpašību pasliktināšanās.

Ir zināmi daudzkomponentu pārklājumi un paņēmiens to uzklāšanai (A. Urbahs et.al. Wear Resistant Nanostructured Multi-component Coatings. NATO Science for Peace and Security Series - B: Physics and Biophysics; 2012). Zināmais paņēmiens paredz Ti-Al-N divslāņu dilumizturīga pārklājuma uznešanu uz metāliskiem izstrādājumiem ar jonu-plazmas uzsmidzināšanu. Paņēmiens ļauj novērst vai kontrolēt pilienu fāzi, saglabājot jonu bombardēšanas efektivitāti. Tomēr zināmais paņēmiens nav piemērots izstrādājumu karstumizturības paaugstināšanai.

Izgudrojuma mērķis un būtība

Izgudrojuma mērķis ir izstrādājumu no titāna un Ti-Al intermetalidu sakausējumiem, karstumizturīgiem tēraudiem un karstumizturīgiem sakausējumiem uz niķeļa bāzes karstumizturības un ilgizturības paaugstināšana.

Piedāvātā pārklājuma veidošanas paņēmiena pamatā ir jonu-plazmas uzsmidzināšana, uz metāliskā izstrādājuma virsmas veidojot trīsslāņu pārklājumu, pie kam paņēmiens ietver šādus secīgus soļus: (i) metāliskā izstrādājuma ievietošanu iekārtas, kas ir paredzēta nostiprinoša pārklājuma uzklāšanai vakuuma apstākļos, vakuumkamerā; (ii) iekārtas vakuumkameras vakuumēšanu; (iii) opcionāli izstrādājuma attīrīšanu un karsēšanu iekārtas vakuumkamerā līdz nepieciešamajai temperatūrai (šo soli izpilda atkarībā no izmantotas iekārtas tipa; parasti izstrādājuma karsēšanu veic no 0,2 līdz 0,4 no attiecīgā metāla kušanas temperatūras vai līdz jonu bombardēšanas nosēšanās sākumam); (iv) intermetalīda TiAl vai T13AI slāņa ar atomāru alumīnija saturu 40 līdz 75 % uzklāšanu uz izstrādājuma ar titāna un alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu inertas gāzes atmosfērā; (v) konglomerātslāņa uzklāšanu, kas satur ar slāpekli leģētus intermetalīdus TiAl, T13AI un nitrīdus (TiAl)N ar atomāru alumīnija nitrīda saturu 30 līdz 70 %, uz izstrādājuma ar titāna un alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu inertas gāzes un slāpekļa atmosfērā; (vi) nitrīda (TiAl)N slāņa ar atomāru alumīnija saturu metāliskajā komponentē 40 līdz 70 % uzklāšanu uz izstrādājuma ar titāna un alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu inertas gāzes un slāpekļa atmosfērā, pie tam visu trīs slāņu uzklāšanu veic, novēršot vai kontrolējot pilienu fāzi, izmantojot magnetronu vai citus metālu iztvaicēšanas vai uzputināšanas avotus, kas neveido pilienu fāzi, vai izmantojot ekrānu, kas uzstādīts starp elektroloka iztvaicētāju un izstrādājumu, uz kura uzklāj pārklājumu, turklāt titāna un alumīnija iztvaicēšanas vai uzputināšanas laiku izvēlas tā, lai intermetalīda slāņa biezums nepārsniegu 2 pm, konglomerātslāņa biezums nepāsniegtu 10 pm un nitrīda slāņa biezums nepārsniegtu 1 gm. Gāzu (inertās gāzes un slāpekļa) padevi veic kontrolējami atsevišķi vai gatava gāzes maisījuma veidā atkarībā no vakuumiekārtas konstruktīvajām īpašībām un uzsmīdzināmo materiālu avotu tipa. Intermedalīda, konglomerātslāņa un nitrīda slāņa uzklāšanu uz izstrādājuma veic ar titāna un alumīnija vai titāna un alumīnija sakausējuma iztvaicēšanu vai uzputināšanu. Pirms izstrādājuma karsēšanas var veikt izstrādājuma virsmas aktivāciju un tīrīšanu ar mirdzizlādi argona atmosfērā līdz mikroloku izzušanai no izstrādājuma virsmas.

Saskaņā ar vēlamo izgudrojuma realizācijas variantu titāna un alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu veic ar magnetronu un elektroloka iztvaicētāju, kas ir aprīkots ar ekrānu, kas uzstādīts starp elektroloka iztvaicētāju un izstrādājumu, uz kura uzklāj pārklājumu, turklāt paklājuma uznešanas laikā izstrādājumu, uz kura uzklāj karstumizturīgo pārklājumu, pārvieto iekārtas vakuumkamerā.

Iekšējais intermetāliskais pārklājuma slānis uz titāna alumīnija (TiAl vai T13AI) bāzes veic difuzas saistvielas funkciju starp pārklājumu un pamatmateriālu un formē pārejas smalkgraudaino struktūru. Konglomerāta pārejas starpslānis tiek veidots spriegumu izlīdzināšanai starp ārējo un iekšējo slāni. Minētais slānis ir nitrīdu vai titāna un alumīnija oksīdu mehānisks maisījums matricā no cietiem slāpekļa vai skābekļa šķīdumiem titānā vai alumīnijā, un tas tiek veidots kā barjerslānis, kas ir noturīgs pret pārklājuma uzsākšanu. Ārējo nitrīda slāni formē uz alumīnija nitrīdu un oksīdu maisījuma bāzes. Tam ir labi mehāniskie, korozijas un karstumizturības raksturojumi, kuri nodrošina izstrādājuma augstas ekspluatācijas īpašības.

Trīsslāņu pārklājums tika iegūts saskaņā ar iepriekš aprakstīto paņēmienu. Pārklājuma pirmā slāņa - intermetalīda TiAl vai T13AI slāņa - biezums nepārsniedza 2 pm, atomārais alumīnija saturs bija no 40 līdz 75 %; otrā slāņa - konglomerātslāņa, kas saturēja ar slāpekli leģētus intermetalīdus TiAl, T13AI un nitrīdus (TiAl)N - biezums nepāsniedza 10 pm, un atomārais alumīnija nitrīda saturs bija no 30 līdz 70 %; trešā slāņa - nitrīda (TiAl)N slāņa biezums nepārsniedza 1 pm, un atomārais alumīnija saturs metāliskajā komponentē bija no 40 līdz 70 %.

īss rasējumu apraksts:

- Fig.l ir parādīts uzsmidzināšanas avotu izvietošanas shēma vakuumiekārtā saskaņā ar vienu izgudrojuma izpausmi;

- Fig.2 ir parādīts gāzes turbīnas dzinēja lāpstiņas, kurai uznests piedāvātais pārklājums, šķērsgriezums;

- Fig.3 ir parādīts GTD TV2-117A lāpstiņas, kas izgatavota no titāna sakausējuma OT4-1 ar pārklājumu, attēls skatā no augšas;

- Fig. 4 ir parādīta diagramma, kurā ir attēlots masas pieaugums, veicot GTD TV2117A lāpstiņu izmēģinājumus no titāna sakausējuma OT4-1 bez piedāvātā pārklājuma un ar piedāvāto pārklājumu karstumizturības 730 °C temperatūrā.

Izgudrojuma realizācijas piemērs

Piedāvātā trīsslāņu daudzkomponentu pārklājuma uzklāšana tika veikta uz gāzes turbīnas dzinēja (GTD) kompresora lāpstiņām, kas izgatavotas no deformējama titāna sakausējuma OT4-1. Izstrādājumu no minētā sakausējuma ekspluatē pie darba temperatūras līdz 350 °C, sakausējuma OT4-1 ķīmiskais sastāvas ir attēlots 1. tabulā.

.tabula

0T4-1 sakausējuma ķīmiskais sastāvs, %

Fe	C	Si	Mn	N	Ti	Al	Zr	O	H	Pārējie piemaisījumi
>0.3	>0.1	>0.15	0.7-2	>0.05	94.138-98.3	1-2.5	>0.3	>0.15	>0.012	0.3

Pārklājums tika uzklāts ar vakuumiekārtu (Fig.l), pielietojot trīs uzsmidzināmu materiālu avotus - divus titāna elektroloka iztvaicētājus 1 un 2 ar katoda plankuma elektromagnētisku stabilizāciju uz katoda galavirsmas un uzsmidzināmā materiāla elektromagnētisku fokusēšanu pamatmateriāla virzienā ar separāciju no pilienu fāzes, pie tam alumīnija planāra līdzstrāvas izsmidzinātajā (magnetrona) 3. GTD lāpstiņa tika nostiprināta uz rotējoša galda 4 uz cilindriskiem balstiem, kas rotēja ap savu asi, nodrošinot iespēju pārvietot lāpstiņu vakuumiekārtas kamerā.

Elektroloka iztvaicētājs 1 bija uzsmidzināmā materiāla (titāna) avots, kā arī ierīce lāpstiņas virsmas primārai jonu bombardēšanai pie tās iepriekšējās attīrīšanas. Loka avotam minimāla iztvaicētāja strāva bija 45 A. Tā kā pie titāna iztvaicēšanas veidojas diezgan liels pilienu daudzums un loka avota ražīgums slāpekļa atmosfērā ir lielāks nekā alumīnija magnetronam, loka iztvaicētāja 1 priekšā tika uzstādīts ekrāns 5. Tas ļāva nodrošināt uzdoto attiecību starp titānu un alumīniju, kā arī samazināt pilienu fāzes koncentrāciju pārklājumā. Elektroloka titāna iztvaicētājs 2 tika pielietots tikai uzkarsēšanai un lāpstiņu attīrīšanai pirms uzputināšanas. Pārklājuma alumīnija komponentes uzklāšanai tika izmantots alumīnija planārais līdzstrāvas magnetrons ar diskveida uztvērējkatodu ar diametru 190 mm un biezumu 8 mm. Izsmidzināšanas strāvas regulēšanas diapazons bija no 0 līdz 10 A. Spriegums uz katoda bija līdz 1000 V.

Gāzu (argona un slāpekļa) padeve tika veikta atsevišķi. Argons bija paredzēts alumīnija izsmidzināšanas un kameras bāzes spiediena regulēšanas nodrošināšanai kā pie izstrādājuma virsmas jonu attīrīšanas ar mirdzizlādi un jonu bombardēšanas, tā arī pie uzputināšanas. Argons tika padots caur ieplūdes vārstu ar manuālu gāzes plūsmas regulēšanu. Savukārt slāpeklis tika padots caur elektromagnētisko ieplūdes vārstu ar automātiskās vadības sistēmu un kontroli ar jonizācijas-termopāra vakummetra palīdzību.

Uzsmidzināšanas režīmu tehniskie raksturojumi bija sekojoši:

(i) iekšējā slāņa uzsmidzināšanas etapā titāna iztvaicētāja strāva bija 50 A, alumīnija magnetrona strāva - 7 A, argona spiediens - 0,08 Pa, kopīgais spiediens kamerā 0,08 Pa, bāzes spriegums uz detaļām - 60 V un uzsmidzināšanas laiks - 10 min.;

(ii) starpslāņa uzsmidzināšanas etapā titāna iztvaicētāja strāva bija 50 A, alumīnija magnetrona strāva -7 A, argona spiediens - 0,4 Pa, slāpekļa spiediens - 0,027 Pa, kopīgais spiediens kamerā - 0,043 Pa, bāzes spriegums uz detaļām - 60 V un uzsmidzināšanas laiks 60 min.;

(iii) ārējā slāņa uzsmidzināšanas etapā: titāna iztvaicētāja strāva bija 50 A, alumīnija magnetrona strāva - 7,2 A, argona spiediens - 0,4 Pa, slāpekļa spiediens - 0,2 Pa, kopīgais spiediens kamerā - 0,06 Pa, bāzes spriegums uz detaļām - 80 V un uzsmidzināšanas laiks 40 min.

Iegūtā pārklājuma (Fig.3) kopējais biezums bija apmēram 2,3 pm (Fig.2), tajā skaitā iekšējā intermetāliskā pārklājuma biezums - 879 nm, konglomerāta starpslāņa biezums - 990 nm un ārējā nitrīda slāņa biezums -461 nm.

Saskaņā ar izgudrojumu kompleksā pārklājuma masas pieauguma samazināšanos atkarībā no katra slāņa uzklāšanas laika (Fig. 4) tika aprēķināta pēc formulas

Ami = Amwp - al - bK - cN, (1), kurā Arni ir pārklāto lāpstiņu masas pieaugums; Amwp ir nepārklāto lāpstiņu masas pieaugums; a ir intermetalīdu pārklājuma ietekmes koeficients; b ir konglomerāta pārklājuma ietekmes koeficients; c ir nitrīda pārklājuma ietekmes koeficients; I ir intermetālīda pārklājuma uzputināšanas laiks, min.; K ir konglomerāta pārklājuma uzputināšanas laiks, min; N ir nitrīda pārklājuma uzputināšanas laiks, min;

Arni = Amwp - 0,000511 - 0,000327K - 0,000007N.

Katra slāņa efektivitāte attiecībā pret slāņu biezumu uz dzinēja TB2-117A kompresora statora lāpstiņām no titāna sakausējuma OT4-1 tika aprēķināta pēc formulām a/Vint = 0,0214 g/pm; b/Vkong = 0,0291 g/pm; c/Vnit = 0,00091 g/pm.

Claims (6)

1. Pretenzijas

   1. Paņēmiens metālisku izstrādājumu karstumizturibas paaugstināšanai ar jonuplazmas uzsmidzināšanu, uz metāliskā izstrādājuma veidojot trīsslāņu pārklājumu, pie kam paņēmiens ietver šādus secīgus soļus:

   (i) metāliskā izstrādājuma ievietošanu iekārtas, kas ir paredzēta nostiprinošā pārklājuma uzklāšanai vakuuma apstākļos, vakuumkamerā, (ii) iekārtas vakuumkameras vakuumēšanu, (iii) opcionāli - izstrādājuma attīrīšanu un karsēšanu iekārtas vakuumkamerā, (iv) intermetalīda TiAl vai T13AI slāņa ar atomāru alumīnija saturu 40 līdz 75 % uzklāšanu uz izstrādājuma ar titāna un alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu inertas gāzes atmosfērā, (v) konglomerātslāņa, kas satur ar slāpekli leģētus intermetalīdus TiAl, T13AI un nitrīdus (TiAl)N ar atomāru alumīnija nitrīda saturu 30 līdz 70 %, uzklāšanu uz izstrādājuma ar titāna un alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu inertas gāzes un slāpekļa atmosfērā, (vi) nitrīda (TiAl)N slāņa ar atomāru alumīnija saturu metāliskajā komponentē 40 līdz 70 % uzklāšanu uz izstrādājuma ar titāna un alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu inertas gāzes un slāpekļa atmosfērā, turklāt visu trīs minēto slāņu uzklāšanu veic, novēršot vai kontrolējot pilienu fāzi, izmantojot magnetronu vai citus metālu iztvaicēšanas vai uzputināšanas avotus, kas neveido pilienu fāzi, vai izmantojot ekrānu, kas ir uzstādīts starp elektroloka iztvaicētāju un izstrādājumu, uz kura uzklāj pārklājumu, turklāt titāna un alumīnija iztvaicēšanas vai uzputināšanas laiku izvēlas tā, lai intermetalīda slāņa biezums nepārsniegtu 2 pm, konglomerātslāņa biezums nepārsniegtu 10 pm un nitrīda slāņa biezums nepārsniegtu 1 pm.
2. 2. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kas raksturīgs ar to, ka pirms izstrādājuma karsēšanas veic tā virsmas aktivāciju un tīrīšanu ar mirdzizlādi argona atmosfērā līdz mikroloku izzušanai no izstrādājuma virsmas.
3. 3. Paņēmiens saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kas raksturīgs ar to, ka alumīnija iztvaicēšanu vai uzputināšanu uz izstrādājuma virsmas veic ar magnetronu (3), bet titāna iztvaicēšanu vai uzputināšanu uz izstrādājuma virsmas veic ar elektroloka iztvaicētāju (1) vai iztvaicētāju (2), kas ir aprīkots ar ekrānu (5), kas ir uzstādīts starp elektroloka iztvaicētāju un izstrādājumu, uz kura uzklāj pārklājumu, turklāt izstrādājumu, uz kura uzklāj karstumizturīgo pārklājumu, uzstāda uz rotējoša galda (4), kuru intermetalīda, konglomerāta un/vai nitrīda slāņu uzklāšanas laikā uz izstrādājuma rotē ap tā asi tādā veidā, lai izstrādājums iekārtas vakuumkamerā pārvietotos.
4. 4. Paņēmiens saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kas raksturīgs ar to, ka inertās gāzes un slāpekļa padevi veic kontrolējami atsevišķi vai gatava gāzu maisījuma veidā.
5. 5. Paņēmiens saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kas raksturīgs ar to, ka intermetalīda, konglomerātslāņa un nitrīda slāņa uzklāšanu uz izstrādājuma veic ar titāna un alumīnija sakausējuma iztvaicēšanu vai uzputināšanu.
6. 6. Trīsslāņu pārklājums, kas iegūts saskaņā ar paņēmienu, kas ir izklāstīts iepriekšminētajās pretenzijās, kur: pārklājuma pirmā slāņa, resp. intermetalīda TiAl slāņa, biezums nepārsniedz 2 pm, un atomārā alumīnija saturs tajā ir no 40 līdz 75%; pārklājuma otrā slāņa, resp. konglomerātslāņa, kas satur ar slāpekli leģētus intermetalīdus TiAl, T13AI un nitrīdus (TiAl)N, biezums nepārsniedz 10 pm, un atomārā alumīnija nitrīda saturs tajā ir no 30 līdz 70 %; pārklājuma trešā, resp. nitrīda (TiAl)N slāņa, biezums nepārsniedz 1 pm, un atomārā alumīnija saturs metāliskajā komponentē ir no 40 līdz 70 %.