RU2052537C1

RU2052537C1 - Method for manufacture and thermal treatment of cathodic elements of steady- state plasma engines with working channels

Info

Publication number: RU2052537C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Тарасов; Ю.М. Горбачев
Original assignee: Опытное конструкторское бюро "Факел"
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: manufacturing of cathodic elements. SUBSTANCE: method involves providing titanium alloys and high- chromium magnetically soft steels and conducting zone cyanidation in vacuum of 0.3-10 mm of mercury column at temperature 900-910 C for 2-3 h. Paste applied contains graphite, aniline and binder. Parts are positioned on nozzles made from hot pressed spalling-resistant ceramics. Upon removing the stock allowed, spraying of titanium nitride on attachment portion is effectuated, with articles being positioned in the same mandrels. Thickness of titanium nitride layer is 8-30 micron. Mandrels may be made from boronitridsiliceous ceramics. Paste used for cyanidation may contain graphite, aniline and dextrin in the ratio of 1:2:1.5 or graphite, aniline and carboxymethyl cellulose in the ratio of 1:1.2:0.5. Heat rate in the process of cyanidation is 400-500 C/h and cooling rate is 30-500 C/min. EFFECT: increased efficiency and improved quality of cathodic elements. 14 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии для космической техники, в частности к вакуумной химико-термической обработке прецизионных деталей из титановых сплавов и может найти применение также в приборостроении, машиностроении и инструментальной промышленности. The invention relates to the field of metallurgy for space technology, in particular to vacuum chemical-thermal treatment of precision parts from titanium alloys and can also be used in instrumentation, mechanical engineering and tool industry.

Известен способ напыления нитрида титана на упрочненный титановый сплав ВТ-22 (Васильев А.И. и др. Сб. тез. докл. Высокоэффективные технологии и оборудование для сварки, пайки, напыления. М. НИАТ, 1992, с.10). A known method of deposition of titanium nitride on a hardened titanium alloy VT-22 (Vasiliev A.I. and others. Sat. Abstract. Highly effective technologies and equipment for welding, soldering, spraying. M. NIAT, 1992, p.10).

Способ эффективен для повышения усталостной прочности деталей, но не позволяет существенно улучшить износостойкость в потоке ионной плазмы в условиях высокого вакуума. Недостаточны толщина и адгезионная прочность слоя с повышенной твердостью. The method is effective for increasing the fatigue strength of parts, but does not significantly improve the wear resistance in the ion plasma stream under high vacuum. The thickness and adhesive strength of the layer with increased hardness are insufficient.

Известен способ имплантации углерода и азота на поверхность титановых сплавов и на глубину 10-100 мкм эрозионным распылением, катодным распылением или оплавлением (технология обработки поверхности титановых сплавов/ (Металлургия, РЖ ВИНИТИ. 1991, N 6). A known method of implanting carbon and nitrogen on the surface of titanium alloys and to a depth of 10-100 μm by erosion spraying, cathodic spraying or fusion (technology for surface treatment of titanium alloys / (Metallurgy, RZH VINITI. 1991, N 6).

Недостатки способа сложность осуществления, неэффективность применительно к деталям сборных и сварных конструкций, например для деталей электрических двигателей малой тяги. The disadvantages of the method are the complexity of the implementation, inefficiency in relation to parts of prefabricated and welded structures, for example, for parts of electric thrusters.

Наиболее близким к заявляемому является способ упрочняющей обработки путем нанесения многослойных композиционных покрытий парного состава: карбид титана нитрид титана на подслой и барьерный слой из чистого титана на детали из сталей и твердых сплавов (прототип). Closest to the claimed is a method of hardening treatment by applying multilayer composite coatings of a pair composition: titanium carbide titanium nitride on the sublayer and a barrier layer of pure titanium on parts made of steel and hard alloys (prototype).

Способ имеет ограниченное применение, преимущественно для деталей и инструмента простого профиля и сечения, трудоемок в осуществлении, не обеспечивает высокого сочетания терморадиационных характеристик и стойкости в ионной плазме. Не достигается контактная межслойная адгезионная и диффузионная прочность многослойного покрытия с основой. The method has limited application, mainly for parts and tools of simple profile and cross-section, is laborious to implement, does not provide a high combination of thermal radiation characteristics and resistance in ion plasma. Not achieved contact interlayer adhesive and diffusion strength of the multilayer coating with the base.

Цель изобретения повышение износостойкости в ионной плазме, улучшение качества и снижение трудоемкости обработки, улучшение терморадиационных характеристик поверхности, снижение деформации и повышение технологичности изготовления прецизионных деталей катодов-компенсаторов. The purpose of the invention is to increase the wear resistance in an ionic plasma, improve the quality and reduce the complexity of processing, improve the thermal radiation characteristics of the surface, reduce deformation and increase the manufacturability of the manufacture of precision parts of compensator cathodes.

Сущность изобретения состоит в следующем:
торцовые цилиндрические вставки катодов, подлежащие сварке с корпусом после механической обработки в окончательный размер по рабочим поверхностям и с припуском по поверхностям, подлежащим сварке, вначале подвергают химико-термической обработке нитроцементации в обмазке, а затем напыляют нитрид титана;
температура выбрана 900-910^оС из условий возможности закалки применительно к титановым сплавам и проведения отжига применительно к высокохромистым магнитомягким сталям типа 16Х-ВИ, время выдержки назначено из условий получения диффузионного слоя не менее 80-100 мкм, оптимального для получения высокопрочного многослойного покрытия с нитридом титана;
в качестве компонентов нитроцементующей пасты выбраны вещества не вызывающие коррозии и окисления поверхности титановых сплавов типа ВТ-14, ВТ-23 и сталей с 13-16% хрома, не обеспечивающие высокую скорость формирования диффузионного слоя в вакууме до 0,3 мм рт.ст. и однородность слоя по твердости и толщине. Анилин С₆Н₅ ·Н₂ является поставщиком азота и бессажистым компонентом пасты, графит чешуйчатый улучшает приток углерода и азота к поверхности деталей, а также исключает пригар и прилипание, пригар пасты к поверхности деталей, позволяет сохранить высокую чистоту поверхности. Связующие декстрин или применительно к сталям карбоксиметилцеллюлоза оба растворимы в анилине и являются активаторами процесса нитроцементации в выбранном интервале температур;
применение горячепрессованной керамики для изготовления оправок, на которых проводится вакуумная нитроцементация и напыление нитрида титана основано на ее теплофизических свойствах высокой термостойкости, температуропpоводности и инертности к поверхностям, соприкасающимся с ней при высокотемпературной обработке. Это обеспечивает термофиксацию и исключает дополнительное коробление тонкостенных деталей катодных элементов; керамика не разрушается при форсированном нагреве и ускоренном охлаждении, но защищает торцовые поверхности под сварку от насыщения углеродом и азотом на существенную глубину.The invention consists in the following:
end cylindrical cathode inserts to be welded to the housing after machining to the final size on the working surfaces and with an allowance on the surfaces to be welded, is first subjected to chemical-thermal treatment of nitrocarburizing in the coating, and then titanium nitride is sprayed;
temperature of 900-910 ^{° C} is selected from the conditions of quenching capabilities with respect to titanium alloys and annealing applied to the soft magnetic high-chromium steels 16X-VI type, dwell time appointed from the conditions for obtaining a diffusion layer of at least 80-100 micrometers, optimal for producing high-strength multi-layer coating titanium nitride;
as components of the nitrocarbon paste, substances that do not cause corrosion and oxidation of the surface of titanium alloys of the VT-14, VT-23 type and steels with 13-16% chromium, which do not provide a high rate of formation of a diffusion layer in vacuum up to 0.3 mm Hg, are selected. and uniformity of the layer in hardness and thickness. Aniline С ₆ Н ₅ · Н ₂ is a supplier of nitrogen and an ungrounded paste component, scaly graphite improves the flow of carbon and nitrogen to the surface of parts, and also eliminates sticking and sticking, sticking of paste to the surface of parts, allows to maintain high surface cleanliness. The binders dextrin or, as applied to steels, carboxymethyl cellulose are both soluble in aniline and are activators of the nitrocarburizing process in a selected temperature range;
the use of hot-pressed ceramics for the manufacture of mandrels on which vacuum nitrocarburizing and deposition of titanium nitride is carried out is based on its thermophysical properties of high heat resistance, thermal conductivity and inertness to surfaces in contact with it during high temperature processing. This provides thermal fixation and eliminates additional warping of thin-walled parts of the cathode elements; ceramics do not deteriorate during forced heating and accelerated cooling, but protects the butt weld surfaces from being saturated with carbon and nitrogen to a significant depth.

В результате предварительной нитроцементации и последующего напыления на катодных деталях удается создать надежное многослойное покрытие, имеющее в 2-3 раза более высокую, чем в известных способах, износостойкость в ионной плазме. As a result of preliminary nitrocarburizing and subsequent sputtering on the cathode parts, it is possible to create a reliable multilayer coating having 2-3 times higher wear resistance in ion plasma than in the known methods.

Повышение эксплуатационных характеристик катодных элементов в составе стационарных плазменных двигателей связано с особенностями формирования и структурой многослойных барьерных покрытий. Так, на титановых сплавах барьерное покрытие состоит из карбонитрооксидного слоя, который прочно связан с сердцевиной, из слоя титана и слоя нитрида титана, а на магнитомягкой высокохромистой стали вначале следует подслой с единичными карбидами (Fe, Cr)₃C, затем слой с 45-50 мас. карбидов (Fe, Cr)₇C₃ и зоной внутреннего окисления микротвердостью Н_0,49 500-530, на которую напыляется нитрид титана.The increase in the operational characteristics of the cathode elements in stationary plasma engines is associated with the features of the formation and structure of multilayer barrier coatings. So, on titanium alloys, the barrier coating consists of a carbonitroxide layer, which is firmly bonded to the core, of a titanium layer and a layer of titanium nitride, and first on a magnetically soft high-chromium steel there is a sublayer with single carbides (Fe, Cr) ₃ C, then a layer with 45- 50 wt. carbides (Fe, Cr) ₇ C ₃ and the zone of internal oxidation by microhardness N _0.49 500-530, on which titanium nitride is sprayed.

При практическом осуществлении детали катодов компенсаторов изготовляли из прутков сплавов ВТ-14, Вт-23 по ОСТ 90266-78, ОСТ 90173-75, прутков стали 16Х-ВИ по ГОСТ 10160-75, для термической обработки использовали вакуумные малоэнергоемкие печи СНВЛ-1,6 2,5.1/11И2 и СНВЛ-0,8 0,5/11М2, обработку вели в контейнерах из стали 12Х18Н10Т. In practical implementation, the details of the compensator cathodes were made from bars of VT-14, W-23 alloys according to OST 90266-78, OST 90173-75, steel rods 16X-VI according to GOST 10160-75, low-energy-intensive SNVL-1 furnaces were used for heat treatment, 6 2.5.1 / 11I2 and SNVL-0.8 0.5 / 11M2, processing was carried out in containers made of 12Kh18N10T steel.

П р и м е р. Торцовые вставки катодов-компенсаторов стационарного плазменного двигателя М-100 изготовляли из титанового сплава ВТ-14 и обрабатывали по предложенному способу. Вначале вели обработку по наружному диаметру 24 мм и обрабатывали в окончательный размер рабочий канал диаметром 6 мм. Припуск по высоте вставки на последующую сварку составлял 1,1 мм. Детали устанавливали на приспособление из керамики БГП-10 горячепрессованной, предварительно нанеся пасту на нитроцементуемые поверхности с заполнением рабочего канала и наружной поверхности торцовой вставки. После сушки деталей с нанесенной пастой состава графит, анилин, декстрин, взятых в соотношении 1: 2: 1,5 (в мас.ч.) помещали садку в вакуумную печь СНВЛ-0,8. 0,5/11М2, после вакуумирования рабочего пространства нагревали до 900^оС и выдерживали в течение 2,5 ч. Охлаждение проводили развакуумированием печи и переносом садки в воду.PRI me R. End inserts of cathodes-compensators of a stationary plasma engine M-100 were made of titanium alloy VT-14 and processed according to the proposed method. Initially, processing was carried out with an outer diameter of 24 mm and the working channel with a diameter of 6 mm was processed into the final size. The allowance for the height of the insert for subsequent welding was 1.1 mm. The parts were installed on a fixture made of BGP-10 ceramic, hot-pressed, having previously applied the paste to nitro-cemented surfaces with filling of the working channel and the outer surface of the end insert. After drying the parts coated with a paste of the composition graphite, aniline, dextrin, taken in a ratio of 1: 2: 1.5 (in parts by weight), the charge was placed in the SNVL-0.8 vacuum oven. 0.5 / 11m2, after evacuating the working space was heated to ⁹⁰⁰ ° C and held for 2.5 hours. The release of the vacuum furnace cooling was performed, and the transfer cages in the water.

Напыление нитрида титана вели после снятия припуска по кольцевой проточке на установке ИПН-4 при температуре старения 560^оС, с выдержкой в течение 60 мин и нанесением слоя 10 мкм через подслой титана и по поверхности, подвергнутой ионно-плазменному полированию.Sputtering titanium nitride conducted after removal of oversize by an annular groove on the setting PPI-4-aging at a temperature ^of 560 C, held for 60 minutes, and applying a layer of 10 micron titanium sublayer through and over the surface subjected to ion-plasma polishing.

В результате обработки на рабочих поверхностях получен износостойкий, надежно связанный с основой слой суммарной толщиной 280 мкм с плавно изменяющейся микротвердостью последовательно из основного металла к поверхности Н_0,49388. 457. 516. 674. 728. 599. 601. 1170. 1450.As a result of processing on working surfaces, a wear-resistant layer with a total thickness of 280 μm was firmly bonded to the base with a smoothly varying microhardness sequentially from the base metal to the H surface _0.49 388. 457. 516. 674. 728. 599. 601. 1170. 1450.

При этом ресурс работы каждого катода повысился до 3120 ч, или в 1,5 раза сравнительно с известной технологией обработки. At the same time, the life of each cathode increased to 3120 hours, or 1.5 times compared with the known processing technology.

Одновременно обеспечивалась достаточно высокая электропроводность внутренней поверхности и оптимальное соотношение коэффициентов поглощения солнечной радиации А_s 0,46 со степенью черноты Е 0,39.At the same time, a sufficiently high electrical conductivity of the inner surface and an optimum ratio of the absorption coefficients of solar radiation A _s 0.46 with a degree of blackness E 0.39 were provided.

Трудоемкость изготовления и упрочняющей термической обработки сократилась в 2,5 раза, исключена деформация электродов по диаметру. The complexity of manufacturing and hardening heat treatment was reduced by 2.5 times, the deformation of the electrodes in diameter was excluded.

П р и м е р. Электродные вставки пускового электрода стационарного плазменного двигателя М-100М изготовляли из стали 16Х-ВИ и обрабатывали по предлагаемому способу. Перед напылением нитрида титана слоем 30 мкм проводили нитроцементацию в вакууме 10 мм рт.ст. при 910^оС в течение 3 ч с нанесением пасты, содержавшей графит, анилин и карбоксиметилцеллюлозу в соотношении 1: 1,2: 0,5 с установкой электродов на приспособление из керамики горячепрессованной БГП-М3. Охлаждение до температур ниже точки Кюри вели со скоростью 100^оС/ч, а затем с печью 20-50^оС/мин. Напыление нитрида титана вели на этой же оправке с разогревом в вакууме 10^-4 мм рт.ст. до температур термостабилизации 525^оС.PRI me R. The electrode insertion of the starting electrode of the stationary plasma engine M-100M was made of steel 16X-VI and processed by the proposed method. Before spraying titanium nitride with a layer of 30 μm, nitrocarburizing was carried out in a vacuum of 10 mm Hg. at 910 ^{° C} for 3 hours, applying a paste containing graphite, aniline and carboxymethyl cellulose in the ratio 1: 1.2: 0.5 with installing electrodes on the device of the hot-pressed ceramic BGP-M3. Cooling to temperatures below the Curie point we were at 100 ° ^C / h, and then oven 20-50 ^o C / min. Titanium nitride was sprayed on the same mandrel with heating in a vacuum of 10 ^-4 mm Hg. heat setting temperatures up to 525 ^C.

Обработка позволила получить износостойкий барьерный слой суммарной толщиной 320 мкм, обеспечивший повышение ресурса работы катода в 1,8 раза. Магнитные характеристики основного металла, являющегося магнитным экраном, составили Н_с 39-45 А/м, В₂₅ 11400 Т.Processing made it possible to obtain a wear-resistant barrier layer with a total thickness of 320 μm, which provided an increase in the cathode life by 1.8 times. The magnetic characteristics of the base metal, which is a magnetic screen, amounted to H _from 39-45 A / m, B ₂₅ 11400 T.

Микротвердость рабочих поверхностей послойно через 40 мкм составила Н_0,491640. 811. 692. 494. 477. 394. 289. 178.The microhardness of the working surfaces layer-by-layer through 40 μm was N _0.49 1640.811. 692. 494. 477. 394. 289. 178.

При снижении трудоемкости обработки в 1,3 раза и упрощении процесса химико-термической обработки и напыления слоя эксплуатационные свойства материала повысились в 1,7 раза по сравнению с обработкой по известному способу. While reducing the complexity of processing by 1.3 times and simplifying the process of chemical-thermal processing and spraying the layer, the operational properties of the material increased 1.7 times compared to the processing according to the known method.

В таблице приведены сравнительные характеристики деталей катода из титанового сплава BТ-1 при обработке по предложенной технологии. The table shows the comparative characteristics of the cathode parts made of titanium alloy BT-1 during processing according to the proposed technology.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING AND THERMAL TREATMENT OF CATHODE ELEMENTS OF STATIONARY PLASMA ENGINES WITH OPERATING CHANNEL, characterized in that the cathode elements are made of titanium alloys and high-chromium magnetically soft steels with a zone of nitrocarburizing of 10 mm. at 900 - 910 ^o C for 2 - 3 hours with the application of a paste containing graphite, analyte and a binder, installing parts on nozzles made of hot-pressed heat-resistant ceramics, and after removing the allowance, titanium nitride is sprayed on the fastening part with a thickness of 8 - 30 microns with installation products in the same mandrels.

2. The method according to claim 1, characterized in that nitrocarburizing is carried out in a paste with a ratio of graphite, aniline and dextrin in a ratio of 1: 2: 1.5.

3. The method according to claim 1, characterized in that nitrocarburizing is carried out in a paste with a ratio of graphite, aniline and carboxymetal cellulose in a ratio of 1: 1.2: 0.5.

4. The method according to PP. 1-3, characterized in that an additional 10-15% of the antioxidant ionol is added to the paste.

5. The method according to PP. 1 to 3, characterized in that before vacuum heating, the paste is dried in a vacuum of 1 to 10 ^- ¹ mm Hg.

6. The method according to claim 1, characterized in that the heating during zone vacuum nitrocarburizing is carried out at a speed of 400 - 500 ^o C / h

7. The method according to claim 1, characterized in that the nitrocarburizing of steel parts is carried out with simultaneous annealing for a given magnetic properties.

8. The method according to claim 1, characterized in that the cooling after zone nitrocarburizing is carried out at a speed of 30 - 500 ^o C / min

9. The method according to claim 1, characterized in that during nitrocarburizing and spraying, the elements are mounted on nozzles made of boron nitride-silicon ceramics BGP-10, BTP-10D.

10. The method according to claim 1, characterized in that the deposition of titanium nitride is carried out at 350 - 560 ^o With the simultaneous aging of the base material.

11. The method according to claim 8, characterized in that the cooling is carried out by transferring parts from a vacuum muffle through air to the quenching medium.

12. The method according to p. 9, characterized in that the cooling is carried out in a quenching medium together with ceramic equipment.

13. The method according to claim 10, characterized in that the cooling after deposition of the nitride layer is carried out in vacuum at a speed of 40 - 100 ^o C / min

14. The method according to p. 12, characterized in that the cooling is carried out at a regulated speed of up to 150 - 180 ^o With subsequent exposure to air.