SU1617050A1 - Состав дл комплексного диффузионного насыщени стальных изделий - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к металлургии, а именно к нанесению теплозащитных покрытий на издели , кратковременно работающие в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы, и может быть использовано в аэрокосмической, энергетической и других област х техники. Цель изобретени  - повышение защитных свойств покрыти  за счет повышени  его качества и его коррозионной стойкости в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы при сохранении толщины диффузионного сло . Состав дл  хромотанталировани  стальных изделий, включающий оксиды хрома, переходного металла V группы, алюмини , хлористый аммоний и вещество-восстановитель, отличаетс  тем, что, с целью повышени  защитных свойств покрыти  в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы, он дополнительно содержит смесь оксидов редкоземельных металлов, оксид циркони , модифицированный иттрием, порошок железа, хлористый хром, фтористый алюминий, в качестве оксида переходного металла V группы - п тиокись тантала, а в качестве вещества-восстановител  - порошок алюмини  при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид хрома 28-30

оксид тантала 12-14

смесь оксидов РЗМ 1,1-1,5

оксид циркони , модифицированный иттрием, 1,5-2,0

порошок алюмини  18-20

порошок железа 15-17

хлористый хром 0,3-0,8

фтористый алюминий 0,1-0,4

хлористый аммоний 0,5-1,5

оксид алюмини  - остальное. 1 табл.

Description

Изобретение относитс  к металлургии , а именное к нанесению теплозащитных покрытий на издели , кратковременно работающие в скоростном потоке высокотемпературной возд ушной плазмы дл  повьшени  их сопротивлени  высокотемпературной газовой коррозии и , обеспечени  заданного ресурса работы, и может быть использовано в аэрокос-- мической, энергетической и других област х техники.

Цель изобретени  - повьшзение защит- ных свойств покрыти  за счет повьште- ни  его качества и его коррозионной стойкости в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы при сохранении толщины диффузионного сло .

Известный состав, содержащий оксиды хрома, переходного металла V группы .

алюмини , хлористый аммоний и

вещество-восстановитель, дополнительiHo содержит смесь оксидов редкоземельных металлов (РЗМ), оксид циркони , модифицированный иттрием, порошок :железа, хлористый хром,, фтористый ;алюминий, в качестве оксида переход JHoro металла V группы - п тиокись тантала , а в качестве вещества-восстановител  - порошок алюмини  при следующем соотнощении компонентов,мае.%:

oo- jn Оксид хромаz,o ли

Оксид тантала 12-14 Смесь оксидов РЗМ 1,1-1,5 Оксид циркони , модифи 5

10

1,5-2,0

18-20

15-17 0,3-0,8 0,1-0,4 0,5-1-, 5 Остальное

15

20

25

ЗС

цированный иттрием

Порощок алюмини 

Порощок железа

Хлористый хром

Фтористый алюминий

Хлористый аммоний

Оксид алюмини 

Функциональное назначение каждого .из компонентов, ГОСТ поставок и химические формулы.

Оксид хрома () по ГОСТ 2912-79 - поставщик активных атомов хрома дл  образовани  многокомпонентного покрыти  на его основе.

Оксид тантала () по ТУ 6-09-50-2176-77 - поставщик активных атомов тантала дл  образовани  многокомпонентного жаростойкого покрыти .

Смесь оксидов РЗМ (СеО 57%, Ьа,,0з 25%, 17%, PrgO,4%) по ТУ 95-1161-83 вводитс  в состав дл  легировани  многокомпонентного покрыти  и образовани  на его поверхности плотной прочносцепленной с основой оксидной пленки, активно преп тствующей диффузии кислорода плазмы

к покрытию.

Оксид циркони , модифицированный

иттрием (85% Zr02+ 15% ), по ТУ 48-0502-63/0-85 - добавка, предот- ;вращающа  спекание состава и  вл юща с  поставщиком иттри  в многокомпонентное покрытие, что увеличивает его сопротивление высокотемпературной газовой коррозии., сп

Порощок алюмини  (А1) марки ПА-4 зи по ГОСТ 6058-73 - восстановитель оксидов металлов, вход щих в предлагаемый состав.

Порощок железа (Fe) марки ПЖРВ 3.200 по ТУ 14.1-3882-85, вводитс  в э состав с целью образовани  в процессе восстановлени  оксидов металлов их ферросплавов, что приводит к сни1617050

жению спекаемости состава и благопри тно сказываетс  на чистоте поверхности обрабатываемого издели .

Хром, хлористый (CrClj) по ТУ 6-09-02-269-77 - активатор процесса насыщени  и поставщик активных атомов хрома в покрытие.

Алюминий фтористый |(AlFj) по ТУ 6-09-1122-76 - активатор процесса восстановлени  оксидов.

Аммоний хлористьш () по ГОСТ 3773-72 - активатор процесса восстановлени  оксидов и насыщени . Оксид алюмини  () по ГОСТ 8136-76 - вводитс  в состав дл  предотвращени  его спекани  в процессе насыщени .

Порошковый состав, содержание компонентов в котором выходит за предлагаемые пределы, не удовлетвор ет поставленной цели по следующим причинам:

при увеличении в составе содержани  оксидов хрома и тантала последние полностью не восстанавливаютс  имеющимс  в наличии алюминием, падает насыщающа  способность состава, при уменьшении в составе содержани  оксидов весь алюминий не расходуетс  на их восстановление и имеет место процесс совместного насыщени  хромом,- танталом и алюминием;

увеличение в составе содержани  оксидов РЗМ и окс1еда циркони , модифи- 35 цированного иттрием, не приводит к положительному эффекту - повьщ1ению жаростойкости покрыти , а снижение понижает жаростойкость покрыти ;

увеличение содержани  порощка железа ,  вл ющегос  эффективным поглотителем тепла экзотермических реакций самораспростран ющегос  высокотемпературного синтеза, резко снижает тем- пературу .алюминотермического восста- новлё ни  оксидов,- и тем самым полноту их протекани , а снижение вызывает проплавление -продуктов реакции, их стекание на дно контейнера, что нежелательно ;

40

45

введение в состав хлористого хрома , фтористого алюмини  и хлористого аммони  сверх указанных количеств вызывает интенсивное газовыделение из состава продуктов их разложени  н процессе синтеза-порошка и насыщени  деталей и не приводит к сколько-нибудь заметному росту толщины .покрывведение в состав хлористого хрома , фтористого алюмини  и хлористого аммони  сверх указанных количеств вызывает интенсивное газовыделение из состава продуктов их разложени  н процессе синтеза-порошка и насыщени  деталей и не приводит к сколько-нибудь заметному росту толщины .покры516

ти , а при меньших количествах акти- ваторов толщина покрыти  снижаетс ;

при увеличении в составе содержани  оксида алюмини  падает его на- сьщающа  способность, а при уменьше- НИИ ухудшаетс  технологичность, т.е. состав подвержен спеканию в процессе насыщени .

Анализ известных составов дл  насыщени  хромом совместно с тугоплавкими металлами V группы показал, что некоторые введенные в предлагаемый состав вещества-активаторы известны, например фтористый алюминий, хлористый аммоний. Известно также введение окиси алюмини . Однако их применение в этих составах в сочетании с други- .ми компонентами, такими как смесь оксидов РЗМ, оксид циркони , модифицированный иттрием, оксид тантала, порошок железа, придают за вл емому объекту такое положительное качество как высокие защитные свойства образующихс  покрытий в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы .

Состав дл  хромотанталировани  приготавливают следующим образом.

Просушенные оксиды хрома, тантала смесь оксидов РЗМ, оксид циркони , легированный иттрием, порошки железа и алюмини  и алюминий фтористый развешивают согласно формуле изобретени  и тщательно перемешивают в течение 1-2 ч. После перемешивани  состав помещают в ко.нтейнер из нержавеющей стали, уплотн ют, поверх состава насыпают смесь, инициирующую реакцию самораспростран ющегос  высокотемпературного синтеза (СВС), содержащую мас,%: А1 30 + , слоем толши- ной 5-7 мм, в центре которой размещают запал, включающий, мас.%: С 20 + Ti 30, Контейнер размещают под колпаком выт жной вентил ции, и запал поджигают термитной спичкой или .каким-либо другим способом. После прохождени  реакции СВС контейнер охлаждают на воздухе, синтезированный состав извлекают и размалывают в шаровой мельнице с добавками хлористого хрома, хлористого аммони  и оксида алюмини . После размола до фрак- ции 100-1600 мкм состав готов к употреблению .

Пример, Провод т термодиффузионное насьш{ение сферических тел (шары из стали (MIS диаметром

9,525 мм) в предлагаемом и известном составах. Нанесение покрытий осуще- ствл ют в контейнерах из нержавеющей стали, герметизированных плавким затвором, при в течение 6ч в печи фирмы Naber, ФРГ.Металлографический анализ покрытий осуществл ют на микроскопе Polyvar , а фазо- вый микрорентгеноспектральный анализ - на установке ДРОН-3,

Фазовый состав покрыти  следующий:

(Сг,Та,Ре))ц леги- рованные Zr

-Се, Y,La, Nd, Рг и А1 +(Х:-тв,р-р

Cr,Ta,Zr,Y,La,Nd,Pr в А1 в железе. Оценку теплозащитных свойств покрытий при высоких тепловых нагрузках осуществл ют в однофазном потоке плазмы, создаваемом плазменным генератором (плазмотроном) типа ПРС-75. Использование в качестве катода гафни  позвол ет примен ть в работе кислородсодержащие газы (воздух) без до- полнительной защиты катода.

До начала эксперимента все испытываемые образцы насверливают на глубину 4 мм. Дл  проведени  испытаний плазматрон установлен в горизонталь- ном положении на монтажном столе, С помощью координатного устройства по центру соп ла и на рассто нии 2 мм от его среза устанавливают на теплоизолированном держателе испытываемый об- разец. Врем  нахождени  образца в воздушной плазменной струе задают с помощью реле времени и фиксируют электросекундомером ПВ53П,

Параметры работы плазматорона Расход газа,кг/с ; 1,5510 Подведенна  мощность , кВт 23,5-30,7 Полезна  мощность,

кВт15,2-17,0

КПД плазматрона,% 0,610 Энтальпи  струи,

Дж/кг9,8-10,

Температура на срезе сопла, К 4980-5400 Скорость истечени  струи из сопла (0 сопла 20 мм),м/с 130 Начальное врем  нахождени  в плазменной струе определ ют по влением а лобовой поверхности образца без еплозащитного покрыти  жидкой фазы ее унос до уменьшени  диаметра Ьб- азца около l/3-I/4d, Дл  образцов ез покрыти  это врем  составл ет

rv 3,5 с (за это врем  диаметр образ- i;a уменьшаетс  на 2,2-2,5 мм).

В дальнейшем дл  образцов с покры- Ы ми выбирают три временных интерва- па обдува: 3,5; 4,0 и 4,5 и 4,9 с. Дл  каждого времени обдува испытывают отдельный образец с покрытием. Требуемое врем  работы образца с покрытием при приведенных услови х испыта- НИИ без разрушени  покрыти , начала оплавлени  материала основы образца W при минимальной потере формы образца должно составл ть 3-4 с.

Качественную оценку защитных - свойств покрыти  после различного времени обдува образца плазменной 1струей производ т визуально степени разрушени  покрыти  и материала основы . Гравиметрическим методом оце- нивают потерю массы образца за врем  испытаний, отнесенную к единице площади поверхности:

Р

где m ,

2

(г/м),

. S

-масса образца до испытаний;

-масса образца после испытаний;

S - площадь поверхности образца .

Потер  массы  вл етс  .следствием образовани  сложных оксидов и их уноса плазменной струей в процессе обдува .

Потерю формы образца после испытаний оценивают в процентах из выраж - ни 

d - d2

d7

100%,

где d. - диаметр образца до испытаний; da размер образца в минимальном

сечении после испытаний

секунд в струе и уноса части массы покрыти  и материала образца потоком плазмы. Значени  удельной потери массы и -изменение формы образца могут . йе совпадать, так как в процессе испытаний действует два взаимно противо положных процесса - окисление покрыти , сопровождающеес  увеличением массы образца, и унос продуктов окислени  и жидкой фазы в случае, если она образуетс  плазменной струей.

Результаты испытаний образцов с покрыти ми, полученными в известном и предлагаемом составах, приведены в

5 0

5

0

35

40

,5 .

таблице (во всех случа х покрыти  нанос т на образцы из стали UIX15 при в течение 6 ч).

Как видно из результатов таблицы, покрытие, нанесенное в предлагаемом составе, повышает теплоизол ционные характеристики стали в 9,3-10,5 раза по сравнению с незащищенным материалом при увеличении сохранени  формы в 6,7-22,6 раза. По сравнению с покрытием , полученным в известном составе, покрытие, полученное в предлагаемом составе, обладает в 1,2-1,3 раза лучшими защитными свойствами и повьш1ает сохранение формы в 1,2-2,0 раза.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Состав дл  комплексного диффузионного насьш1ени  стальных изделий, преимущественно из инструментальных сталей, включающий оксиды хрома, вещества , выбранного из оксидов переходного металла V группы, окись алю- мини , восстановитель и хлористый аммоний, о тличающийс  тем, что, с целью повышени  защитных свойств покрыти  за счет повышени  его качества и его коррозионной стойкости в скоростном потоке высокотемпературной воздушной плазмы при сохранении толщины диффузионного сло , он дополнительно содержит смесь оксидов РЗМ металлов, оксид циркони , модифицированный иттрием, порошок железа, хлористый хром, фтористый алюминий , в качестве наполнител  - порошок алюмини ,а в качестве вещества выбранного из оксидов переходных металлов V группы, - п тиокись тантала при следующем соотношении компонентов , мае. %:

   Оксид хрома Оксид- тантала Смесь оксидов РЗМ металлов Оксид циркони , МОдифициро ванный иттрием

   Порошок алюмини  Порошок железа Хлористый хром Фтористьй алюминий Хлористый аммог

   НИИ

   Оксид алюмини 

   28-30 12-14

   1,5-2,0 18-20 15-17

   0,3-0,8

   0,1-0,4

   0,5-.1,5 12,8-23,5