RU2012693C1 - Способ получения покрытия - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности к процессам упрочнения деталей машин, и может быть использовано в машиностроении, преимущественно авиационном, при изготовлении и ремонте лопаток газотурбинного двигателя. Цель изобретения - повышение качества покрытия с заданными эксплуатационными свойствами. Сущность изобретения: предварительно отшлифованные лопатки, с которых удалены различные поверхностные дефекты, покрываются трехслойным износостойким ионно-вакуумным защитным покрытием из титана и нитридов металлов. Первый слой, прилегающий к основе лопатки, являющийся энергопоглощающей подложкой, получают в результате совместного напыления титана и нитрида титана в разряженной атмосфере в смеси аргона и азота при плавном увеличении в камере по времени концентрации азота. Второй промежуточный износостойкий слой получают в результате напыления нитрида титана в разряженной атмосфере практически чистого азота. Третий поверхностный слой, предназначенный для защиты нитрида титана от охрупчивания, получают совместным напылением титана и нитрида титана в разряженной атмосфере в смеси аргона и азота при плавном увеличении в камере по времени концентрации аргона. 2 ил.

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к процессам упрочнения деталей машин, и может быть использовано в машиностроении, преимущественно в авиационном, при изготовлении и ремонте лопаток газотурбинного двигателя.

В ремонтном производстве при восстановлении изношенных деталей известны способы создания покрытий на них с износостойким эффектом. Получают многослойное покрытие в два этапа: вначале газопламенным методом наносят первый слой толщиной 0,5-0,9 мм, а затем его оплавляют с последующим нанесением основного слоя электроэрозионной обработкой в режиме эрозии и в режиме легирования. Получают двухслойное покрытие ионным напылением в вакууме вначале чистого титана, а затем совместно титана и нитрида титана в смеси аргона и азота при фиксированном соотношении их объемов. Покрытие в виде оболочки осаждают на металлическую подложку, предпочтительно из пластичного материала, и наносят поверх этого покрытия твердый материал, такой как нитрид или карбид титана, карбид хрома или окись алюминия. Высокоизносостойкий поверхностный слой из нитрида металла получают нанесением на детали двухслойного покрытия. Внутренний слой покрытия содержит субстехиометрическое соединение MeNx (x < 0,9, предпочтительно > 0,5), а внешний слой - стехиометрическое соединение МeNx (х > 0,19, предпочтительно ≅ 1,0).

Однако получаемые многослойные покрытия в пределах одного слоя имеют постоянный химический состав и, как следствие этого, неизменяемые физико-механические характеристики. На границе между слоями изменение этих характеристик носит ярко выраженный ступенчатый характер, что в некоторых случаях неблагоприятно сказывается на эксплуатационных свойствах полученных покрытий. Кроме того, известное покрытие, отличается технологической сложностью.

Наиболее близким техническим решением является способ осаждения покрытия, по крайней мере на одну подложку. Материал покрытия состоит как минимум из двух компонентов, причем состав покрытия может изменяться по его толщине.

Однако известный способ имеет следующие недостатки.

Для получения покрытия должно быть не менее двух источников осаждения. При одном источнике осаждения покрытие не образуется.

Между источником осаждения и подложкой должна располагаться защитная маска с прорезью.

Для перемещения защитной маски вдоль подложки требуется специальный механизм подачи.

Полученное защитное покрытие по химическому составу ввиду прерывистости перемещения защитной маски по подложке имеет дискретный характер с явно выраженной ступенчатостью в изменении свойств покрытия по его толщине. Такая ступенчатость на границе между слоями вызывает появление внутренних напряжений, ведущих к ухудшению служебно-эксплуатационных характеристик восстановленных таким способом деталей.

Малая производительность ионной обработки объясняется тем, что для осаждения покрытия можно взять только одну подложку.

Целью изобретения является повышение качества покрытия с заданными эксплуатационными свойствами.

Это достигается тем, что в способе создания покрытий, включающем напыление металлов и их нитридов в вакууме, напыление покрытия с постепенным изменением химического состава по сечению осуществляют в смеси азота и аргона при плавном варьировании их объемного соотношения V_N/V_Ar, изменяемого в пределах 0-10. Сопоставительный анализ изобретения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что получают покрытия с плавным изменением по сечению его свойств, например микротвердости, путем постепенного варьирования объемов компонентов газовой азото-аргонной смеси в камере, изменяемого автоматически в пределах 0-10. Технически это осуществляется применением двух газовых баллонов и простой системой трубопроводов и шлангов. При этом источников осаждения может быть несколько. Количество подложек, на которые осаждается покрытие (количество одновременно обрабатываемых деталей), не оговаривается. Последнее лимитируется рабочим объемом вакуумной камеры и габаритами обрабатываемых деталей. В прототипе при выполнении этой операции имеется ряд ограничений: наличие между подложкой и источником осаждения дополнительного предмета в виде защитной маски с механизмом перемещения; покрытие можно осаждать не более, чем на одну подложку, что существенно сказывается на производительности обработки; обработку ведут не менее, чем двумя источниками.

Предлагаемый способ создания покрытий с постепенным изменением химического состава покрытия реализуют следующим образом.

В качестве подложки для исследования берут лопатку из сплава ВТЗ-1 статора компрессора 1ТД ТВ2-117А. Цель эксперимента - сконструировать покрытие, состоящее из трех зон различной твердости: 1 зона - постепенное повышение твердости от 4000 до 20000 МПА; 2 зона - постоянная твердость ≈ 20000 ПМА; 3 зона - постепенное понижение твердости до ≈14000 МПА.

Для обеспечения заранее заданных характеристик покрытия напыление проводят при Р_г = 1 ˙ 10^-3 мм рт. ст. с использованием системы напуска газов (СНГ) для регулирования состава в камере напыления. В данной системе изменение твердости по сечению, а стало быть и химического состава покрытия достигается за счет варьирования соотношения объемов запущенных в камеру газов V_N/V_Ar по времени.

Процесс напыления условно был разделен на 3 этапа: 1 этап. Для обеспечения начальной твердости 4000 МПА расходуемый баллон объемом 1,5 л был заполнен газовой смесью V_N/V_Ar = = 1: 1. Для получения конечной твердости 1-ой зоны около 20000 МПА дополнительный баллон объемом 2 л был заправлен смесью V_N/V_Ar = 6: 1. Причем выработка баллонов производилась таким образом, что в камере напыления смесь с соотношением 1: 1 постепенно заменялась смесью с соотношением 6: 1, переходя плавно соотношения 2: 1, 3: 1, 4: 1, 5: 1. В конце напыления 1-ой зоны в камере была смесь с соотношением объемов газов V_N/V_Ar = 6: 1. 2 этап. Для поддержания постоянной твердости на 2-й зоне ≈20000 МПА система напуска газов была заполнена смесью газов с соотношением V_N/V_Ar = 6: 1 объемом 4,5 л. 3 этап. Он служит для получения в покрытии 3-й зоны. В этой зоне по замыслу авторов требуется плавное снижение твердости с 20000 до 14000 МПА, что обеспечивается заполнением расходного баллона газовой смесью V_N/V_Ar = 6: 1 объемом 1,5 л, а дополнительно объемом 2 л той же смесью, но с V_N/V_Ar = 3: 1. Выработка баллонов такая же, как и на 1-м этапе, только в обратной последовательности: 6: 1, 5: 1, 4: 1, 3: 1.

Технологическая продолжительность напыления каждого этапа - 1 ч. Общее время обработки - 3 ч. Напыление проводилось одной пушкой при опорном напряжении U_оп = 120 В и токе испарения I_исп = 110 А деталь не вращалась. После напыления лопатка имела серый цвет, сцепление покрытия с основой было прочным.

Металлографическое исследование шлифов напыленных лопаток показало, что покрытие, полученное по такой технологии, имело общую толщину около 50 МКМ. В покрытии можно увидеть 3 зоны (см. фиг. 1), отличающиеся травимостью (травитель - смесь плавиковой кислоты с глицерином). 1 зона. Зона, прилегающая к основе лопатки, имеет белый цвет. Травимость ее мало отличается от травимости сплава ВТЗ-1. Толщина этой зоны около 13 МКМ. Обследование ее с помощью внедрения алмазной пирамиды под нагрузкой 25 г на приборе ПМТ-3 показало плавное повышение микротвердости H_μ от 5000 МПА до 18500 МПА. Эту зону можно назвать зоной плавного повышения микротвердости. 2 зона. Зона толщиной 24-25 МКМ имеет пониженную травимость. Общий цветовой фон темный. По границам соседних зон наблюдаются светлые участки толщиной 5-6 МКМ каждый. Эти участки имеют более высокую травильность, чем в середине зоны. Серединная часть этой зоны имеет микротвердость порядка H_μ = 22000 МПА, в то время как граничные участки этой зоны имеют микротвердость H_μ = 18500 МПА. 3 зона. Зона, непосредственным образом выходящая к поверхности лопатки, имеет белый цвет. Микротвердость ее убывает от 18500 МПА на границе со 2-й зоной до 14000-15000 МПА у поверхности.

Таким образом, осуществленный по данной программе напуск газовой смеси в камеру напыления позволяет получить покрытие, обладающее приблизительно теми характеристиками, которые планировались до эксперимента (см. фиг. 2). Если взять другую программу напуска газовой смеси, то можно получит покрытие, отличное по свойствам от предыдущего.

Изучение фазового состава покрытий показало, что в первой зоне при плавном изменении соотношения объемов газов V_N/V_Ar от 1: 1 до 6: 1 происходит насыщение напыляемого титана азотом с образованием твердого раствора азота в титане и химических фаз Ti₃N; Ti₂N; TiN. По мере роста содержания азота в газовой смеси фазовая структура меняется от твердого раствора Ti_α(N) до механической смеси Ti_α(N) + Ti₃N + + Ti₂N + TiN. Поэтому эта зона есть ни что иное, как зона конгломератного покрытия. Постепенное увеличение в этой зоне по ее сечению нитридных фаз с однородной и мелкодисперсной структурой является причиной повышения микротвердости. С энергетической точки зрения она выполняет функцию энергопоглощающей подушки в процессе аэроабразивного изнашивания. Благодаря обильному количеству в ней конгломератных фаз она является более эрозийностойкой и стойкой к высоким перепадам температур (термоударам).

По мере плавного заполнения камеры смесью с соотношением газов V_N/V_Ar = 6: 1 происходит дальнейшее уменьшение доли твердого раствора. В микроструктуре покрытия появляется вторая зона, в средней части которой имеется чистый нитрид титана TiN, который хорошо сопротивляется абразивному резанию. Но при работе лопаток в условиях аэроабразивного изнашивания, когда поверхность лопаток находится в скоростном потоке воздуха и частиц пыли, иногда довольно крупных, это приводит к тому, что нитрид титана на поверхности начинает охрупчиваться, и может возникнуть даже его перенаклеп. В результате этого по поверхности слоя возникают микротрещины, которые служат причиной растрескивания и отслаивания покрытия. Чтобы этого не было, сам нитрид титана надо защищать. Для этого в технологии предусмотрено создание 3 зоны. В этой зоне происходит понижение твердости покрытия от 18500 до 14500 МПА. Для получения такой закономерности к расходному баллону с соотношением газов V_N/V_Ar = 6: 1 подключается дополнительный баллон с соотношением газов V_N/V_Ar = 3: 1. Плавный переход газовой смеси от отношения 6: 1 к отношению 3: 1 приводит к обеднению напыляемого титана азотом и уменьшению в твердом растворе азота в титане и конгломератных фаз Ti₃N, Ti₂N, TiN. Эта зона, снижая несколько свою способность сопротивляться резанию от абразивных частиц, тем не менее способна защитить твердый нитрид титана от перенаклепа (охрупчивания).

Использование предлагаемого способа создания покрытий с постепенным изменением химического состава обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: получение покрытия с заранее заданными свойствами в соответствии со служебно-эксплуатационными требованиями; увеличение производительности напыления, т. к. для осаждения покрытия можно взять не одну подложку, а в несколько раз больше; повышение межремонтного ресурса деталей за счет того, что структура покрытия носит композитный характер, в котором плавно изменяются по сечению свойства, исключающие появление в нем высоких внутренних напряжений.

Claims (1)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, включающий размещение деталей в рабочей камере, ионную очистку и осаждение нитридов тугоплавких металлов в среде азота и аргона, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости покрытий, при осаждении нитридов тугоплавких металлов осуществляют плавное изменение объемного соотношения азота и аргона в смеси в пределах 0,5 - 10,0 в соответствии с технологической программой процесса.

Images