RU2415199C1 - Procedure for application of coating - Google Patents
Procedure for application of coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2415199C1 RU2415199C1 RU2009139780/02A RU2009139780A RU2415199C1 RU 2415199 C1 RU2415199 C1 RU 2415199C1 RU 2009139780/02 A RU2009139780/02 A RU 2009139780/02A RU 2009139780 A RU2009139780 A RU 2009139780A RU 2415199 C1 RU2415199 C1 RU 2415199C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- product
- ions
- conductive material
- item
- conducting material
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нанесения покрытия на поверхность металлических изделий, таких как лопатки компрессора газотурбинных двигателей и установок, с целью повышения их служебных характеристик.The invention relates to mechanical engineering and can be used for coating the surface of metal products, such as compressor blades of gas turbine engines and installations, in order to increase their service characteristics.
Способ нанесения покрытия на поверхность металлического изделия путем бомбардировки ее ионами металлической плазмы широко известен в науке и технике. 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.).The method of coating the surface of a metal product by bombarding it with metal plasma ions is widely known in science and technology. The method includes preliminary surface preparation, placement of the product in a vacuum chamber, generation of modifier material in a vacuum chamber of the plasma using one of the known methods, formation of an accelerated ion beam from the plasma directed onto the surface of the workpiece, or direct treatment of the surface of the product with plasma ions when negative electric is applied to the product potential. Due to the introduction of plasma ions into the surface layer by diffusion or implantation and the creation of distortions in the crystal lattice under the influence of ion bombardment, as well as changes in the elemental composition of the surface layer, the surface layer of the part is modified due to its alloying, leading to a change in the operational properties of the part (Modification and alloying of the surface laser, ion and electron beams. Edited by J.M. Powe, G. Foty, D.K. Jacobson. M.: Mechanical Engineering. - 1987. - 424 p.).
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.The disadvantage of this method is the low density of ion current on the surface of the product, and accordingly, the low speed of surface treatment of the product, which limits its use in mechanical engineering.
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 (Патент РФ №2161661).A known method of applying wear-resistant coatings and increasing the durability of products, including applying to a metal substrate by cathodic sputtering a three-layer coating of alternating layers, the first layer is obtained in the discharge of a neutral gas from one or a mixture of transition metals of IVA-VIA groups, the second - by deposition of these metals in a mixture neutral and reaction gases, and the third layer by precipitation in a mixture of neutral and reaction gases of nitrides, or carbides, or borides, or mixtures thereof of these metals (RF Patent No. 216166 one).
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 (Патент РФ №2226227).There is also known a method of applying a multilayer coating on metal products, including conducting ion implantation with nitrogen ions before applying the multilayer coating and postimplantation tempering, combined with multilayer coating, which is applied by multiple alternating layers of titanium, titanium ε-nitride and α-titanium, with postimplantation and applying a multilayer coating is carried out in one vacuum volume per one technological cycle (RF Patent No. 2226227).
Недостатком известных способов является сложность технологии и высокая трудоемкость (много технологических переходов и технологических операций), низкая стойкость многослойных структур к эрозионному износу при лобовом ударе и относительно низкая их коррозионная стойкость и жаростойкость, приводящая к отслаиванию слоев покрытия при повышенных температурах.A disadvantage of the known methods is the complexity of the technology and the high complexity (many technological transitions and technological operations), the low resistance of multilayer structures to erosion during frontal impact and their relatively low corrosion resistance and heat resistance, which leads to peeling of the coating layers at elevated temperatures.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, 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 (Патент РФ №2308537).The closest analogue taken as a prototype is a method of processing the surface of a metal product, including preliminary preparation of the surface of the product, placement in the processing zone of the product and conductive material, creating a vacuum in the processing zone, applying a negative potential to the product and separately to the conductive material, excitation on the conductive material of a vacuum arc burning in the vapor of this material with the formation of plasma, bombardment, cleaning and heating of the surface of the product with ions of conductive material, the accumulation and diffusion of ions of conductive material on the surface of the product at a surface temperature of the product below the softening temperature of the product material, with the formation of a coating, where zirconium or an alloy based on zirconium is used as the conductive material, and the accumulation and diffusion of ions of conductive material on the surface of the product is carried out at negative potential on the product 150-400 V in the environment of the reaction gas (RF Patent No. 2308537).
Недостатками способа-прототипа являются недостаточная стойкость покрытия к солевой коррозии и жаростойкость при температуре 600-650°С.The disadvantages of the prototype method are the insufficient resistance of the coating to salt corrosion and heat resistance at a temperature of 600-650 ° C.
Технической задачей изобретения является разработка способа нанесения покрытия, обеспечивающего повышение стойкости металлического изделия к солевой коррозии, жаростойкости, при сохранении его эрозионной стойкости.An object of the invention is to develop a coating method that provides increased resistance of the metal product to salt corrosion, heat resistance, while maintaining its erosion resistance.
Для достижения поставленной задачи разработан способ нанесения покрытия, преимущественно на стальные детали и лопатки компрессора газотурбинного двигателя, 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 отрицательном потенциале на изделии в среде реакционного газа, с образованием покрытия, в котором перед размещением в зоне обработки изделия на его поверхность наносят слой сплава на основе никеля толщиной 4-10 мкм, в качестве токопроводящего материала используют хром или сплав на основе хрома, при этом одновременно с накоплением и диффузией ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят дополнительно ее бомбардировку ионами инертного газа с энергией 10-40 кэВ.To achieve this objective, a coating method has been developed, mainly on steel parts and compressor blades of a gas turbine engine, including preliminary preparation of the product surface, placement in the processing zone of the product and conductive material, creating a vacuum in the processing zone, supplying a negative potential to the product and separately to the conductive material , excitation on a conductive material of a vacuum arc burning in the vapor of this material with the formation of plasma, bombardment, cleaning and heating the surface of the product with ions of a conductive material, the accumulation and diffusion of ions of conductive material on the surface of the product with a negative potential on the product in the reaction gas medium, with the formation of a coating in which, before being placed in the processing zone of the product, a 4- nickel-based alloy layer is applied to its surface 10 μm, chromium or an alloy based on chromium is used as the conductive material, while simultaneously with the accumulation and diffusion of ions of the conductive material on the surface of the product rovodyat further its bombardment by ions of an inert gas with an energy of 10-40 keV.
Слой сплава на основе никеля наносят на поверхность изделия магнетронным или вакуумно-дуговым осаждением.A nickel-based alloy layer is applied to the surface of the product by magnetron or vacuum-arc deposition.
В качестве реакционного газа используют ацетилен при давлении 0,1-0,3 Па.As the reaction gas, acetylene is used at a pressure of 0.1-0.3 Pa.
Установлено, что при нанесении покрытия из сплава на основе хрома на подслой из никелевого сплава в атмосфере реакционного газа - ацетилена формируется твердый карбид хрома. Твердый подслой из сплава на основе никеля благодаря КТР (коэффициент термического расширения), близкому к стали и верхнему слою из карбида хрома, обеспечивает надежную адгезионную прочность покрытия и минимальный уровень остаточных напряжений в системе подложка-покрытие.It has been established that when a chromium-based alloy is coated on a nickel alloy sublayer in the atmosphere of a reaction gas, acetylene, solid chromium carbide is formed. Thanks to the KTP (coefficient of thermal expansion) close to steel and the upper layer of chromium carbide, a solid sublayer of nickel-based alloy provides reliable adhesive strength of the coating and a minimum level of residual stresses in the substrate-coating system.
Нанесенный слой из никелевого сплава с карбидным упрочнением обеспечивает коррозионную стойкость системы «основа-покрытие», препятствуя проникновению коррозионной среды в глубину материала изделия за счет плотной структуры и состава легирующих элементов.The deposited layer of nickel alloy with carbide hardening provides corrosion resistance of the "base-coating" system, preventing the penetration of a corrosive medium into the depth of the product material due to the dense structure and composition of alloying elements.
Дополнительная бомбардировка ионами инертного газа во время нанесения сплава на основе хрома в атмосфере реакционного газа позволяет сформировать более плотный карбид хрома, увеличивая его эрозионные свойства.Additional bombardment by inert gas ions during deposition of a chromium-based alloy in the atmosphere of the reaction gas allows the formation of denser chromium carbide, increasing its erosion properties.
Наличие твердого металлического подслоя из сплава на основе никеля с карбидным упрочнением и верхнего слоя на основе плотного карбида хрома обеспечивает высокую жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость композиции основа-покрытие.The presence of a solid metal sublayer of an alloy based on nickel with carbide hardening and an upper layer based on dense chromium carbide provides high heat resistance, corrosion and erosion resistance of the base-coating composition.
Примеры осуществленияExamples of implementation
Пример 1. Для нанесения покрытия на поверхность изделия, например рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя из стали ЭП866, проводили предварительную подготовку поверхности изделий (удаление загрязнений и обезжиривание). Нанесение покрытия на поверхность металлического изделия проводили на промышленной ионно-плазменной установке МАП-3 с компьютерной системой управления технологическим процессом, имеющей газоразрядный источник ионов аргона Е×Н 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 размещали в зоне обработки изделие, с предварительно нанесенным одним из известных способов, например магнетронным или вакуумно-дуговым осаждением, слоем (толщиной 4 мкм) из сплава на основе никеля (СДП-2), и токопроводящий материал - сплав на основе хрома (ВХ1) и создавали в зоне обработки вакуум при давлении Р≤0,1 Па. Затем опускали газоразрядный источник ионов аргона в зону обработки изделия и начинали процесс ионной очистки поверхности изделия бомбардировкой ионами инертного газа (аргона) с энергией 0,5-3 кВ. После завершения процесса (процесс длится 15-20 минут) газоразрядный источник ионов аргона удаляли из зоны обработки изделия и подавали отрицательный потенциал на токопроводящий материал φ1=-(80-100) В и отдельно на лопатку φ2=-(300-600) В. Затем включали газоразрядный ионный ускоритель с параметрами: ток ионного пучка 30 мА, ускоряющее напряжение 10 кВ, и начинали бомбардировку изделий ионами аргона. После чего одним из известных способов, например путем разрыва токового контакта, на токопроводящем материале возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого материала с образованием плазмы токопроводящего материала (сплава на основе хрома). Процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала очистки и ионного нагрева поверхности изделия проводили при φ2=-300 В и токе вакуумной дуги 600 А. Процесс очистки поверхности изделия и ее термоактивации длился ~3 минуты (контроль по снижению частоты пробоев в цепи источника подачи потенциала на деталь до 5-20 Гц). Дополнительно проводили бомбардировку поверхности ионами (энергия ионов 10 кэВ) с одновременным накоплением и диффузией ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии 100-200 В при давлении 0,15 Па и температуре поверхности изделия 500-520°С, что ниже температуры ее разупрочнения на 100°С.Example 1. For coating the surface of the product, for example, the working blades of the compressor of a gas turbine engine made of steel EP866, preliminary preparation of the surface of the products was carried out (removal of contaminants and degreasing). The coating on the surface of the metal product was carried out on an industrial ion-plasma apparatus MAP-3 with a computer process control system having a gas discharge source of argon ions E × H type with a current of up to 200 mA and a voltage of up to 3 kV, a vacuum-arc plasma generator of conductive material with a current of up to 750 A, a system for feeding into the vacuum volume of the reaction gas and regulating its pressure, a system for supplying and regulating the voltage on the processed products in the range from 0 to 900 V, gas-discharge ion accelerator with currents up to 40 mA and voltage up to 40 kV, and the planetary rotary drive 24 positions to accommodate workpieces. Then a product was placed in the treatment zone, previously applied by one of the known methods, for example, magnetron or vacuum arc deposition, a layer (4 μm thick) of a nickel-based alloy (SDP-2), and the conductive material is a chromium-based alloy (BX1 ) and created a vacuum in the treatment zone at a pressure of P≤0.1 Pa. Then, a gas-discharge source of argon ions was lowered into the product treatment zone and the process of ion cleaning of the product surface was started by bombardment with inert gas (argon) ions with an energy of 0.5-3 kV. After completion of the process (the process lasts 15-20 minutes), a gas-discharge source of argon ions was removed from the product processing zone and a negative potential was applied to the conductive material φ 1 = - (80-100) V and separately to the blade φ 2 = - (300-600) B. Then, a gas-discharge ion accelerator was turned on with the following parameters: ion beam current of 30 mA, accelerating voltage of 10 kV, and bombardment of products with argon ions began. Then, using one of the known methods, for example, by breaking the current contact, a vacuum arc was excited on a conductive material, burning in the vapor of this material with the formation of a plasma of a conductive material (chromium-based alloy). The process of ion bombardment of the product surface with ions of a conductive cleaning material and ion heating of the product surface was carried out at φ 2 = -300 V and a vacuum arc current of 600 A. The process of cleaning the product surface and its thermal activation lasted ~ 3 minutes (control to reduce breakdown frequency in the supply source circuit potential per part up to 5-20 Hz). Additionally, surface bombardment by ions (ion energy 10 keV) was carried out with the simultaneous accumulation and diffusion of ions of conductive material on the surface of the product with a negative potential on the product of 100-200 V at a pressure of 0.15 Pa and the surface temperature of the product 500-520 ° C, which is lower than the temperature its softening at 100 ° C.
По способу-прототипу покрытие наносили на изделие из стали ЭП 866.According to the prototype method, the coating was applied to a product of steel EP 866.
Полученные образцы и лопатки подвергались следующим исследованиям и испытаниям:The obtained samples and blades were subjected to the following studies and tests:
- на коррозионную стойкость по методике ускоренных испытаний, включающей выдержку в спокойной атмосфере печи при температуре 650°С в течение 1 ч, охлаждение в 3% p-pe NaCl и выдержку в эксикаторе в течение 22 ч;- on corrosion resistance by the method of accelerated testing, including exposure to a calm atmosphere of a furnace at a temperature of 650 ° C for 1 h, cooling in 3% p-pe NaCl and exposure to a desiccator for 22 h;
- на жаростойкость в спокойной атмосфере печи при температуре 650°С в течение 500 ч, после чего определяли удельный привес (Δmуд, г/м2) после проведения испытаний и сравнивали внешний вид образцов;- heat resistance in a calm atmosphere of the furnace at a temperature of 650 ° C for 500 h, after which the specific weight gain (Δm beats , g / m 2 ) was determined after testing and the appearance of the samples was compared;
- на относительную эрозионную стойкость при углах атаки 20 и 70 град. пылевоздушного потока на основе речного песка с фракцией до 700 мкм и расходе песка 1,23 кг. Определяли отношение уноса массы образцов с покрытием к уносу массы без покрытия при углах атаки 20 и 70 град. - ε20 и ε70;- relative erosion resistance at angles of attack of 20 and 70 degrees. dust-air flow based on river sand with a fraction of up to 700 microns and a sand consumption of 1.23 kg. The ratio of the ablation of the mass of coated samples to the ablation of uncoated mass was determined at angles of attack of 20 and 70 degrees. - ε 20 and ε 70 ;
Примеры 2, 3 аналогичны примеру 1, но в примере 2 наносят слой сплава на основе никеля - СДП-1, а в примере 3 - ВЖЛ-2, параметры способа и свойства изделий с покрытием приведены в таблице.Examples 2, 3 are similar to example 1, but in example 2, a nickel-based alloy layer — SDP-1 — is applied, and in example 3, VZHL-2 is applied; the process parameters and properties of coated products are shown in the table.
Нанесение покрытия на сталь ЭП866 приводит по сравнению с прототипом к повышению жаростойкости в 2-2,5 раза и в 2-3 раза стойкости поверхности к солевой коррозии, при сохранении высокой эрозионной стойкости.The coating on steel EP866 leads, compared with the prototype, to increase the heat resistance by 2-2.5 times and 2-3 times the resistance of the surface to salt corrosion, while maintaining high erosion resistance.
Применение изобретения в промышленности для нанесения покрытия на поверхность стальных лопаток компрессора газотурбинных двигателей и установок повышает их надежность и ресурс.The application of the invention in industry for coating the surface of steel compressor blades of gas turbine engines and installations increases their reliability and resource.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009139780/02A RU2415199C1 (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Procedure for application of coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009139780/02A RU2415199C1 (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Procedure for application of coating |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2415199C1 true RU2415199C1 (en) | 2011-03-27 |
Family
ID=44052846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009139780/02A RU2415199C1 (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Procedure for application of coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2415199C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2545879C2 (en) * | 2013-05-16 | 2015-04-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и иновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Power turbine stator element modification |
| RU2607398C2 (en) * | 2015-06-17 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Плазма-Пактер" | Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation |
-
2009
- 2009-10-28 RU RU2009139780/02A patent/RU2415199C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2545879C2 (en) * | 2013-05-16 | 2015-04-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и иновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Power turbine stator element modification |
| RU2607398C2 (en) * | 2015-06-17 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Плазма-Пактер" | Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Parameswaran et al. | Titanium nitride coating for aero engine compressor gas path components | |
| US6797335B1 (en) | Method for deposition of wear-resistant coatings and for increasing the lifespan of parts | |
| US20050287296A1 (en) | Method and apparatus for dispersion strengthened bond coats for thermal barrier coatings | |
| US20100028711A1 (en) | Thermal barrier coatings and methods of producing same | |
| CN102345099A (en) | Preparation method of multilayer pitting corrosion-resistant coating of steam turbine blade material surface | |
| JPH08176767A (en) | Method of fabricating turbine blade from alloy based on (alpha/beta)-titanium | |
| US7229675B1 (en) | Protective coating method for pieces made of heat resistant alloys | |
| RU2340704C2 (en) | Method for fabricated metallic product surface treatment | |
| RU2264480C2 (en) | Method of deposition of protective coatings on details made out of refractory alloys | |
| CN101294284A (en) | Ablation-resistant fatigue-resistant plasma surface recombination reinforcing method | |
| RU2308537C1 (en) | Method of working surface of metallic article | |
| RU2554828C2 (en) | Application of protective coating on steel article surface | |
| RU2415199C1 (en) | Procedure for application of coating | |
| RU2415966C1 (en) | Procedure for coating items out of hard alloys | |
| RU2549813C1 (en) | Fabrication of refractory nanocomposite coating of surface of refractory nickel alloys | |
| Sagalovich et al. | Vacuum-plasma protective coating for turbines blades | |
| CN108165944A (en) | A kind of super thick Ti2The preparation method of AlC coatings | |
| KR101136907B1 (en) | Thermal barrier coating using metal ion implantation and the method for preparation of thermal barrier coating | |
| Xu et al. | Plasma surface alloying | |
| RU2409701C2 (en) | Procedure for application of ceramic coating | |
| RU2570274C1 (en) | Method of production of wear-resistant high-temperature coating | |
| RU2566232C1 (en) | Method of combined ion-plasma treatment of products out of aluminium alloys | |
| CN110923636B (en) | Electron beam composite plasma alloying treatment method for surface of gamma-TiAl alloy | |
| RU2445406C1 (en) | Method of processing surface of article made from titanium alloy | |
| RU2574542C1 (en) | Production of reinforcing sandwiched coatings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111029 |