UA56319C2 - Спосіб вакуумного осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить в своєму складі вольфрам або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, на підкладку - Google Patents

Abstract

Винахід відноситься до галузі одержання покриття з багатокомпонентних жароміцних сплавів, а саме – до способу сумісного вакуумного осадження покриття з багатокомпонентного сплаву що містить у своєму складі вольфрам або вольфрам та тантал, або вольфрам, тантал та реній, на підкладку і використовується як покриття для термонавантажених деталей газових турбін. Спосіб включає розміщення в вакуумній камері в одному охолоджуваному тиглі тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів, розміщення в зазначеній вакуумній камері в подавальному пристрої багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується на підкладку, утворення в охолоджуваному тиглі на поверхні тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів рідкої ванни шляхом електронно-променевого нагріву, здійснення дискретної подачі згаданого багатокомпонентного жароміцного сплаву у вигляді окремих порцій – шматочків або гранул на поверхню ванни з наступним спільним випаровуванням поданого жароміцного сплаву і тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів з поверхні рідкої ванни і осадженням утворюваної пари на підкладку у вигляді шару. Як тугоплавкий метал використовують вольфрам, а як тугоплавкий сплав – сплав вольфрам - тантал або вольфрам - тантал - реній, співвідношення складових якого відповідає розрахунковому співвідношенню цих складових у багатокомпонентному жароміцному сплаві. При цьому потужність електронного променя, яка витрачена на створення рідкої ванни і випаровування, змінюють періодично з частотою, рівною частоті подачі дискретних порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву. Як осаджувані багатокомпонентні жароміцні сплави використовують багатокомпонентні сплави на основі нікелю та кобальту. Винахід забезпечує одержання складного багатокомпонентного покриття на підкладці, складові якого мають дуже низькі пружності пари і високі температури плавлення.

Description

Опис винаходу

Цей винахід відноситься до галузі отримання металевих матеріалів, хімічний склад яких аналогічний 2 багатокомпонентним жароміцним сплавам, застосовуваним для деталей газотурбінних двигунів, які зазнають впливу високотемпературного середовища.

Більш конкретно, даний винахід відноситься до способу вакуумного осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, на підкладку, і може бути використаний для вакуумного осадження на робочі і 70 направляючі лопатки газотурбінних двигунів (ГТД) шару багатокомпонентного жароміцного сплаву на основі нікелю або кобальту, що містить у своєму складі вищезгадані тугоплавкі хімічні елементи, за допомогою електронно-променевого випаровування з одного охолоджуваного тигля.

Матеріали, які використовуються в газотурбобудуванні - це металеві багатокомпонентні сплави на основі нікелю або кобальту (жароміцні сплави), здатні тривалий час працювати при високих температурах (більш 12 900...10007С) у важконапруженому стані при одночасному впливі агресивного зовнішнього середовища.

Нікелеві багатокомпонентні жароміцні сплави є найбільш розповсюдженими і містять Мі-Ст-Со матрицю з виділеннями зміцнюючих фаз Мі(А!,Ті), а також карбідів різних легуючих елементів, головним чином тугоплавких металів.

З метою підвищення фізико-механічних властивостей багатокомпонентних жароміцних сплавів і термічної стабільності складових фаз застосовують комплексне легування цих сплавів такими елементами як Ті, АЇ, МУ, Мо,

МБ, М, 27, НІЖ Та, Ке, С, а в якості модифікуючих мікродобавок до їх складу додають бор, іттрій та рідкоземельні елементи.

Розвиток багатокомпонентних жароміцних сплавів для деталей газових турбін продовжується по шляху подальшого підвищення термодинамічної стабільності й об'ємної частки зміцнюючої у-фази за рахунок с 29 збільшення частки тугоплавких (МУ, Мо, Ке, Та) і у-утворюючих (АЇї, Ті, Та) елементів. Наприклад, якщо в Ге) багатокомпонентних жароміцних сплавах на основі нікелю 1-го покоління для спрямованої кристалізації (МАК-М200, РУ/А-1422) кількість вольфраму знаходилася в межах 11.7... 12.5мас. 9Уо, а тантал і реній були відсутні, то в сплавах ІІ-го покоління (РУУА-1426) сума М/у«Кента складала 16.3...16.5мас. 9о.

У розроблених у 80-90-х роках нікелевих сплавах для монокристального лиття ІІ-го (КЕМЕ-М5, РУУА-1484, Ф 3о СМЗХ-4) і П-го поколінь (СМ5Х-10, КЕМЕ-Мб) сума УУ«КекнтТа досягає 19мас.бо (Егісвоп С.І. Зирегаоуз Кезвіві с

Ної Согтовіоп апа Охідайоп // Адуапсейд тагегіаіз:Ргосевзвев.-1997.-МоіІ.151, Мо.3.- Р.27-301

Багатокомпонентні жароміцні сплави є основним матеріалом для виготовлення різних деталей газотурбінної о техніки, зокрема робочих і направляючих лопаток. (Се)

Сучасні лопатки авіаційних і енергетичних ГТД являють собою порожнисті деталі складної конфігурації, що мають розгалужену систему каналів і порожнин внутрішнього охолодження з відносно невеликою товщиною ю стінок, при цьому технологія їхнього виготовлення і, як наслідок, вартість досить висока. Тому в даний час особливу актуальність здобуває розробка нових технологічних процесів ремонту і відновлення лопаток після експлуатації. « дю Для усунення таких основних після-експлуатаційних дефектів на лопатках, як локальне ерозійне зношування, -о корозійні ушкодження, механічні ушкодження, широке застосування знаходять зварювання і пайка. Однак с більшість сучасних складнолегованих багатокомпонентних жароміцних сплавів мають істотні обмеження по :з» зварюваності через можливе утворення мікротріщин у зонах термічного впливу. Крім того, за допомогою зварювання або пайки важко відновити або наростити стінку пера лопатки на задану товщину.

При цьому необхідно враховувати основну вимогу розроблювачів лопаток: сплав, який використовується для сл 15 відновлення тіла лопатки, повинен мати той самий хімічний склад, що і сплав, з якого виготовлена лопатка.

Для нанесення захисних покриттів різного призначення на лопатки широко застосовують вакуумне (о) осадження, у тому числі електронно-променеве випаровування з одного випарювача (тигля) сплавів типу с Мі-Со-Ст-АІ-Ж з наступною конденсацією на деталях, що підлягають захисту. Однак одним з недоліків цього способу є неможливість осаджувати покриття, до складу яких входять хімічні елементи з великою розбіжністю у - 70 пружності пара. Значення пружності пара для різних хімічних елементів, які приведені в таблиці 1, пояснюють, с чому при випаровуванні у вакуумі, наприклад, сплавів системи М-Со-Ст-АІ-УУ-Та-Ке не відбувається випаровування тугоплавких металів, а в конденсаті буде знаходитися лише сплав складу Мі-Со-Ст-АЇ |(Соайіпа

МаїегіаІз зриЧегіпуд Тагдеї Емарогайоп Зошгсев: ВАЇ 7ЕКЗ5 / Едікйоп: 1990/1992). зв о ю мсо|огіяіті| мо | мо | м | та | яв 60 Використання декількох тиглів-випарювачів не знайшло широкого застосування через складність і низьку продуктивність.

У техніці одержання тонких плівок відомі способи випаровування сплавів, сумішей метал-діелектрик і сполук, складові компоненти яких мають різні тиски пара, наприклад Си-7п, Стноі, бар, ВатТіз. Це способи випаровування складних сплавів або сполук, що одержали назву "вибухового" випаровування або бо випаровування "спалахом". Сутність цих способів, як відомо, полягає у використанні одного випарювача, що містить тверду поверхню, нагріту до температури не більш 2000"С, якої вистачає для повного випаровування сплаву без його будь-якої взаємодії з гарячою твердою поверхнею, на яку він подається у вигляді порошку або дрібних гранул. При випаровуванні кожного завантаження сплаву відбувається певне фракціонування парового потоку, однак кількість сплаву в завантаженні настільки мала, що неоднорідність у плівці, що конденсується, може спостерігатися лише в межах декількох моноатомних шарів. |Напарсок ої Тіп Рйт Тесппоіоду / Едіїєй ру

ГІ. Маїззеї апа Кк. Сіапу.-МесоОгам НІЇЇ НооК Сотрапу.-1970..

Основним недоліком відомих подібних способів є неможливість випаровування й осадження багатокомпонентних сплавів, що містять тугоплавкі елементи з низькою пружністю пара, оскільки в цих способах /о Використовується твердофазний випарювач (звичайно вольфрамова пластина) з відносно низькою температурою, при якій неможливе випаровування вольфраму, танталу, ренію.

Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого способу й обраному як прототип, є спосіб вакуумного осадження сплавів Ті-Мо або Ті-АІ-МЬ з використанням гарячого випарювача, викладений

ІС.МеСиПоцди, 9.5їогег, І.М. Вегліпв. Мапитасішге ої Огпійпогпотбріс Тійапішт АїІштіпіде Сотрозіез ру РУОЮ 7/5 Меїйодв. - Кесепі Аймапсез іп Тіапішт тега! тайіх сотровіцев/Ргосеедіпоз ої а зутровішт Неї ачшгіпу

Маїегіаїг МУеек, Осіорег 2-6, іп Козетопі, | Шіпоїв.-- Едйей Бу Р.Н.Ргоев, ..5(огег.-1994.- Р.266-268.|.

Авторами запропоновано спосіб вакуумного осадження на підкладку покриття зі сплавів Ті-Мо і Ті-АІ-МЬ, що включає розміщення у встановленому у вакуумній камері охолоджуваному тиглі тугоплавкого металу (Мо або

М), розміщення в зазначеній вакуумній камері в подаючому пристрої сплаву, що осаджується на підкладку (Ті або Ті-АЇ), створення в охолоджуваному тиглі на поверхні тугоплавкого металу рідкої ванни шляхом електронно-променевого нагрівання, безперервну подачу згаданого сплаву з падаючого пристрою на поверхню рідкої ванни і випаровування поданого сплаву і тугоплавкого металу з поверхні рідкої ванни з наступним осадженням пара, що утворюється, на підкладку.

Запропонований спосіб дозволяє осаджувати на підкладку сплав, що містить у своєму складі лише один с г тугоплавкий метал з відносно низькою пружністю пара й один або кілька металів, пружність пара яких значно вище (а температура плавлення істотно нижче), чим у тугоплавкого металу. Використання цього способу для і) вакуумного осадження покриття з багатокомпонентних жароміцних сплавів, що містять у своєму складі кілька тугоплавких металів, що мають дуже низьку пружність пара, не придатне, оскільки безперервна подача багатокомпонентного сплаву, що осаджується, який містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, ду зо або вольфрам та тантал та реній, на поверхню одного тугоплавкого металу приведе до первісного випаровуванню легколетучих металів з більш високим тиском пара, і нагромадженню у рідкій ванніінших металів. 7 з більш низькою пружністю пара з наступною їх кристалізацією у вигляді твердого гарнісажа на поверхні ванни. с

Як результат, хімічний склад конденсованого сплаву буде відрізнятися від хімічного складу багатокомпонентного жароміцного сплаву. ісе)

В основу винаходу поставлена задача створити спосіб вакуумного осадження покриття з ю багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, на підкладку, який би забезпечив можливість осадження багатокомпонентних жароміцних сплавів, що містять перераховані вище елементи, тобто елементи з дуже низькою пружністю пара і високою температурою плавлення, за рахунок спільного використання дискретного випаровування « багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, і який дискретно подається окремими порціями у в с вигляді шматочків або гранул на поверхню ванни, і випаровування з рідкої ванни тугоплавкого металу . вольфраму або сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал, або вольфрам-тантал-реній, співвідношення и?» компонентів у якому відповідає розрахунковому співвідношенні цих компонентів у багатокомпонентному жароміцному сплаві, що осаджується.

Ця задача вирішена завдяки тому, що запропоновано спосіб вакуумного осадження покриття з с багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, на підкладку, який включає розміщення у встановленому у вакуумній камері

Ме. одному охолоджуваному тиглі тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів, розміщення в зазначеній оо вакуумній камері в подаючому пристрої багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується на підкладку, створення в охолоджуваному тиглі на поверхні тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів рідкої ванни - шляхом електронно-променевого нагрівання, подачу згаданого багатокомпонентного жароміцного сплаву з

Ге падаючого пристрою на поверхню рідкої ванни і випаровування поданого багатокомпонентного жароміцного сплаву і тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів з поверхні рідкої ванни з наступним осадженням пари, яка утворюється, на підкладку, у якому, відповідно до винаходу, в одному охолоджуваному тиглі ов розміщують тугоплавкий метал вольфрам, або сплав тугоплавких металів вольфрам-тантал, або сплав тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній, співвідношення компонентів у якому відповідає розрахунковому (Ф, співвідношенню цих компонентів у багатокомпонентному жароміцному сплаві, який осаджують за допомогою ка його дискретної подачі окремими порціями у вигляді шматочків або гранул на поверхню ванни з наступним спільним випаровуванням поданого багатокомпонентного жароміцного сплаву і вищезгаданих тугоплавкого бо металу або сплаву тугоплавких металів з поверхні рідкої ванни.

Доцільно, у відповідністі з дійсним винаходом, процес осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, проводити із зміною потужністі електронного променя, затрачуваної на випаровування поданого багатокомпонентного жароміцного сплаву і тугоплавкого металу вольфраму, або сплаву тугоплавких металів 65 вольфрам-тантал, або сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній, з поверхні рідкої ванни, при цьому вона змінюється періодично з частотою, яка дорівнює частоті подачі окремих порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву на поверхню ванни.

Спосіб вакуумного осадження на підкладку покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, з використанням вищезгаданої періодичної зміни потужності електронного променя дозволяє в ряді випадків зменшити мікророзбризкування поданого багатокомпонентного жароміцного сплаву та поліпшити структуру конденсату.

Доцільно, у відповідністі з дійсним винаходом, процес осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується на підкладку, проводити з використанням багатокомпонентного жароміцного сплаву на основі нікелю, що містить у своєму складі хром, титан, молібден, вольфрам, тантал, 7/0 реній, алюміній, кобальт, гафній, ніобій, цирконій, бор, вуглець, причому зазначені компоненти узяті в наступному співвідношенні компонентів (мас. 95): хром 2-30 титан 0.1-6,0 молібден 0.5-20,0 вольфрам 0.1-20,0 тантал 0.1-15,0 реній 0.1-10,0 алюміній 0.1-8,0 кобальт 0.5-22,0 гафній 0.01-2,0 ніобій 0.1-6,0 цирконій 0.01-3,0 бор 0.001-0.1 сі вуглець 0.01-0.3 нікель інше. і9)

Спосіб вакуумного осадження на підкладку покриття з жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, з використанням вищезгаданого сплаву ду зо на основі нікелю з зазначеним співвідношенням компонентів, дозволяє одержати на підкладці шар багатокомпонентного жароміцного сплаву, здатного надійно функціонувати у високотемпературному, переважно (87 окисному, середовищі. с

Доцільно також, у відповідністю з дійсним винаходом, використовувати в якості покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується на підкладку, багатокомпонентний сплав на основі ісе) кобальту, що містить у своєму складі хром, титан, молібден, вольфрам, тантал, реній, алюміній, нікель, ю залізо, цирконій, причому зазначені компоненти узяті в наступному співвідношенні компонентів (мас. 90): хром 3-35,0 титан 0.1-4,0 « вольфрам 0.1-30,0 в с тантал 0.1-15,0, реній 0.1-10,0 :з» алюміній 01-80 нікель 1-40,0 залізо 0.1-9,0 (9! цирконій /0.01-3,0 кобальт інше. (22) с Спосіб вакуумного осадження на підкладку покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить

У своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, з використанням - вищезгаданого багатокомпонентного сплаву на основі кобальту з зазначеним співвідношенням компонентів,

Ге; дозволяє одержати на підкладці шар багатокомпонентного жароміцного сплаву, здатного надійно функціонувати у високотемпературному, переважно корозійному, середовищі.

Запропоновані вище комбінації хімічних елементів і їхніх концентрацій є типовими для сучасних багатокомпонентних жароміцних сплавів, що використовуються для виробництва лопаток газотурбінних двигунів.

Технічна сутність і принцип дії винаходу пояснюється на прикладах виконання з посиланнями на прикладені (Ф) креслення і фігури.

ГІ Фіг.1 представляє схематичне креслення установки та процесу для вакуумного осадження на підкладку покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та бо тантал, або вольфрам та тантал та реній.

Фіг2 зображує криві розподілу окремих хімічних елементів по товщині осадженого на підкладку багатокомпонентного жароміцного сплаву КЕМЕ-М5.

На Фіг.1 представлена схема процесу вакуумного осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній. 65 Відповідно до Фіг.1, у вакуумній камері 1 на нижній плиті 2 встановлюється мідний водоохолоджуваний тигель 3, у якому поміщений тугоплавкий метал вольфрам, або сплав тугоплавких металів вольфрам-тантал, або сплав тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній у вигляді зливка або таблетки 4. У вищезгаданій вакуумній камері 1 також розташовується механізм подачі 5, у якому розташовують дискретні порції б багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується. На Фіг.1 приведено механізм подачі карусельного типу, у якому дискретні порції 6 розташовують в індивідуальних гніздах, і при обертанні механізму подачі 5 на валу 7 навколо осі А періодично по похилому жолобі 8 ці порції ба вільно падають на поверхню рідкої ванни 9. Швидкість подачі дискретних порцій сплаву, що осаджується, регулюється шляхом зміни швидкості обертання механізму подачі 5.

Підкладка 10, наприклад, лопатка ГТД, розташовується над тиглем 5 на горизонтальному штоці 11.

У верхній частині камери 1 розташовуються електронно-променеві гармати для випаровування 12 і для /о нагрівання підкладки 13. Між тиглем і підкладкою розташовується рухливий захисний екран, що в одному з робочих положень перекриває паровий потік з тигля, тим самим захищаючи підкладку від парового потоку, а в іншому положенні забезпечує влучення парового потоку з тигля на підкладку. Цей екран, а також приводи обертання механізму подачі 5 і переміщення штока 11 на Фіг.1 для простоти не показані.

Після нагрівання підкладки 10 за допомогою електронно-променевої гармати 13 до необхідної температури /5 (яка залежить від типу матеріала, з якого виготовлена підкладка, і від необхідної мікроструктури шару, що осаджується), на поверхні тугоплавкого металу вольфраму або сплаву тугоплавких металів 4 шляхом електронно- променевого нагрівання гарматою 12 створюють рідку ванну 9 і починають випаровування тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів 4. Після цього починають здійснювати дискретну подачу окремих порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджують, на поверхню ванни шляхом введення

В дію механізму подачі 5. При цьому окремі порції ба у вигляді шматочків або гранул починають надходити на поверхню ванни 9, де відбувається їхнє спільне випаровування разом з випаровуванням тугоплавкого металу вольфраму або сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал, або сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній. Після цього відкривають захисний екран і починають процес конденсації парового потоку на поверхні підкладки 10. сч

Таке рішення забезпечує осадження на підкладці покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, хімічний склад якого відповідає хімічному складу порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву, що подається і) в рідку ванну, і містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній.

Запропонований спосіб вакуумного осадження на підкладку покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, може Ге! зо бути реалізований в існуючих типах лабораторних і промислових електронно-променевих установок, що мають вакуумну камеру і принаймні один випарювач у вигляді водоохолоджуваного тигля, як правило, діаметром від 50 -- до 100мм, у який помішують зливок або таблетку тугоплавкого металу вольфраму або сплаву тугоплавких со металів вольфрам-тантал, або тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній. Співвідношення цих металів у сплаві підбирається таким, яке забезпечує їхнє осадження на підкладку в співвідношенні, у якому вони ре) з5 Знаходяться в багатокомпонентному жароміцному сплаві, що випаровується. Наприклад, якщо в шарі ю багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, необхідно одержати 4мас.бо вольфраму і 12мас.9о танталу, то їхній зміст у сплаві повинен бути 25мас.9б5 і 75мас.о відповідно.

Важливе значення має узгодження частоти подачі багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, і маси порції, що випаровується (швидкості випаровування сплаву, що подається), зі швидкістю « випаровування тугоплавкого металу вольфраму або сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал, або сплаву /7- с тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній. Відправним пунктом для необхідного розрахунку є швидкість конденсації тугоплавких металу або сплаву на підкладці. Після цього, знаючи загальний процентний вміст цих ;» елементів у багатокомпонентному жароміцному сплаві, що осаджується, розраховується необхідна швидкість конденсації сплаву, що осаджується, і, відповідно, маса порції і частота подачі, при цьому підтримують постійний рівень рідкої ванни. с Наприклад, для багатокомпонентного жароміцного сплаву МіСтСоАїІТіМуТа, що містить 490 МУ і 1295 Та (отут і далі використовуються мас. 95), відправним пунктом для розрахунку є швидкість конденсації сплаву 2590 ММ і 7590

Ме, Та. Якщо ця швидкість конденсації дорівнює Імкм/хв, то з наступних формул можно вирахувати товщину шару 2) сплаву МіСгСоАЇТі, яка потрібна для отримання стехіометричного складу сплава МіСтСоА!ТіМуТа: а ю Руісгсодітмта 7 Рмісгсодіті Ж Руута;

Руісгсодіті 7 Рмісгсодітімута 7 Руута;

Ге) Р вп-5-р;

Рмісгсодіті 7 Рмістсодітмута 7 Рмута / З.р місгсод!ті де: Р місгсодітм/та - маса осадженого шару багатокомпонентного жароміцного сплаву,

Ркісгсодіті - маса осадженого шару без тугоплавких елементів,

Руута - маса осадженого шару сплаву вольфраму і танталу, іФ) й - товщина осадженого шару, ко 5 - площа осадженого шару, р - щільність осадженого шару, 60 НМісгсодіті - ТОовщина шару сплаву МістСоАЇТІ,

РМісгСодіті 7 Щільність сплаву МіСтСоА!Ті.

У випадку, якщо товщина шару сплаву М/«Та на одиниці поверхні підкладки (5-1) дорівнює мкм і знаючи, що щільність сплаву МіСтСоАІТі складає близько 8.9г/см?, розрахункова товщина шару сплаву МіСтСоАЇїТі для одержання стехіометричних 100г багатокомпонентного жароміцного сплаву МіСтСоАПіМУТа, що містить 16г 65 тугоплавких елементів МУ і Та, повинна бути приблизно в 9.4 разів більше, тобто 9.4мкм. Раніше отримані результати свідчать про те, що для конденсації 1Омкм сплаву МіСтСоАїТі необхідно випарувати при потужності електронного променя ЗОкВт близько 10г цього сплаву. Виходячи з цих даних і роблять розрахунки для визначення маси багатокомпонентного жароміцного сплаву, що подається в рідку ванну, а також частоту подачі (у залежності від маси дискретної порції).

Конструкція електронно-променевих випарювальних і нагрівальних гармат ідентична описаним у літературі, а їхня потужність визначається максимальною температурою нагрівання підкладки, а також необхідною продуктивністю, і складає 20...40кВт для нагрівальних гармат і 60...8О0кКВт для випарювальних гармат.

Програмне сканування електронного променя гармат використовується для більш швидкого і рівномірного нагрівання масивних підкладок складної геометричної форми, наприклад лопаток газових турбін, а також для /о періодичної зміни потужності електронного променя, який використовується для створення рідкої ванни та випаровування.

Як механізм подачі окремих порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, на поверхню рідкої ванни, може бути використаний кожний з відомих механізмів |НапароокК ої Тіп Ріт Тесппоіоду / Едієйд ру Г.ЛІ.Маїззе! апа К.СіІапо.-МеОгам НІіЇ НоокК Сотрапу.-1970.), наприклад, стрічкова подача, черв'ячна подача, /5 дискова подача, за допомогою електромагнітного вібратора, барабанна подача або комбіновані способи.

Основною вимогою до цих механізмів є їхнє конструктивне виконання з теплостійких сталей, або використання захисних екранів для зниження теплового потоку від високотемпературної рідкої ванни. Найкращим є використання многопозиційного механізму подачі барабанного типу, що дозволяє поряд з подачею і випаровуванням окремих порцій сплаву подавати і випаровувати порції спеціальних легуючих добавок, що дозволяє осаджувати композиційний сплав.

Як порції сплаву, що осаджується, можуть бути використані порошки, гранули, дріт або шматочки багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містять у своєму складі вольфрам, або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній. Краще використання порцій у виді однорідних шматочків довільної форми масою від 0.5 до 5г, вирізаних абразивним колом із прутків багатокомпонентних жароміцних сплавів необхідного сч хімічного складу, або з лопаток, що не підлягають ремонту і хімічний склад яких відповідає сплаву, що осаджується. Доцільне проведення попередньої вакуумної термічної обробки порцій багатокомпонентного і) жароміцного сплаву, що осаджується, при температурі 850...11007С протягом 0.5... 1 години з метою зменшення газовиділення в процесі осадження.

Підготовка поверхні підкладки перед осадженням аналогічна існуючим способам, використовуваним у б зо вакуумній техніці або при осадженні захисних покриттів, включаючи різні види фізико-хімічної обробки поверхні (шліфування, полірування, ультразвукове промивання, травлення, знежирення, іонне бомбардування і т.п.). --

Після осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву на підкладку доцільно провести со вакуумну термічну обробку при 950...115072 протягом 1...4 години (у залежності від типу підкладки) з метою зняття внутрішніх напружень і для згладжування хімічної мікронеоднорідності в осадженому шарі. ісе)

Вищеописаний винахід може бути краще зрозумілим з нижчеподаних прикладів. ю

Приклад 1

Вакуумне осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву ЗИ868, обраного в якості модельного, проводилося за наступною методикою (хімічний склад сплаву наведено в табл.2).

У вакуумній камері електронно-променевої установки в мідному водоохолоджуваному тиглі діаметром 7Омм « розмішували зливок вольфраму діаметром 68.5мм і висотою 55мм. Подача дискретних порцій пла) с багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, на поверхню зливка вольфраму виконувалась за

Й допомогою механізму подачі карусельного типу, що встановлювався біля мідного водоохолоджуваного тигля. и? Регулювання швидкості подачі дискретних порцій і, відповідно, швидкості конденсації покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, виконувалось шляхом зміни швидкості обертання

Ккарусельного пристрою. с Випаровуванню й осадженню піддавалися порції багатокомпонентного жароміцного сплаву ЗИ868 у вигляді шматочків масою 0.85...0.95г, вирізані абразивним колом із прутка цього сплаву діаметром 18мм. Хімічний склад

Ме, багатокомпонентного жароміцного сплаву ЗИ868, що використовувався для вакуумного осадження, відповідав оо паспортному складу і приведений у табл. 2. Визначення хімічного складу виконувалося на 5ор рентгенофлуоресцентному аналізаторі "Х'Опідне П" (РиАре"). - Осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву виконувалося на підкладку зі сплаву

Ге) Назіевісу Х з наступним хімічним складом (мас. 90): Ст - 22905, Ре-18.595, Мо - 995, Со - 1.595, МУ - 0.69о, інше -

Мі. Підкладка (у вигляді пластин розміром 55Х10х2мм) встановлювалася прямо над тиглем на висоті ЗООмм від поверхні вольфрамового зливка. Поверхня шліфованої підкладки попередньо знежирювалася.

Після створення у вакуумній камері тиску залишкових газів на рівні 1хХ1О0 7 Торр, виконувалось нагрівання підкладки до температури 730...780"С, потім на поверхні вольфрамового зливка створювалася рідка ванна, після о чого включався механізм подачі дискретних порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, ко на поверхню ванни. Після цього відкривався рухливий екран і паровий потік багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, починав конденсуватися на підкладці. Прискорююча напруга складала 19кВ, струми бо променів електронно-променевих гармат на нагрівання підкладки і випаровування складали 02.01 А ЗА відповідно.

Швидкість подачі багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, складала 12 порцій у хвилину (близько 10 г/хв). Попередньо проведені тестові експерименти по випаровуванні вольфрамового зливка з тигля дозволили установити, що при обраному режимі випаровування швидкість конденсації вольфраму на підкладці 65 складала близько 1мкм/хв. З метою одержання стехіометричного складу багатокомпонентного жароміцного сплаву була обрана швидкість подачі порцій, що забезпечує спільну швидкість конденсації вольфраму і багатокомпонентного жароміцного сплаву 117мкм/хв. Температура підкладки в процесі осадження підтримувалася на рівні 790...8407С. Час осадження складав 7хв, товщина осадженого шару склала 75мкм.

Хімічний склад осадженого покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву (визначений як з поверхні підкладки, так і шляхом пошарового аналізу на мікроаналізаторі "Сатерах"), відповідає хімічному складу багатокомпонентного жароміцного сплаву ЗИ868 і приведений у табл. 2. Вміст вуглецю аналізувався за допомогою методів "вологої" хімії та масс-спектроскопії і дорівнював 0.295 в шматочках та в осадженому покритті з багатокомпонентного жароміцного сплаву. Рівень рідкої ванни вольфраму протягом процесу залишався незмінним, що свідчить про досягнутий баланс поступаючих у ванну і випаровуючихся з ванни 7/о Хімічних елементів.

Хімічний аналіз поверхні ванни вольфраму після осадження також підтвердив повне випаровування усіх компонентів багатокомпонентного жароміцного сплаву (зміст вольфраму складав 9Омас.9бо). :

ЄИВ868 в початковому стані та після вакуумного осадження покриття, мас.9о

Події 0000 осн во 042006 (043603 06. р.

Приклад 2

Вакуумне осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву РУУА 1480, хімічний склад якого приведений у табл. 3, проводилося за методикою, аналогічній викладеній в прикладі 1, за винятком того, що у водоохолоджуваний тигель встановлювали зливок, який мав склад (мас. 95): вольфраму - 25, танталу - 75. У с 29 подаючому пристрої розміщалися порції багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, РУХА 1480у. (У вигляді шматочків масою близько 2г, які були вирізані з замкової частини лопаток, і потім були відпалені у вакуумі при 10807 протягом 1 години. Струм електронно-променевої гармати для випаровування періодично (10 разів на хвилину) змінювався від 2.5 А до 3.5 А, при цьому мінімум потужності впродовж 2 сек збігався з подачею чергової дискретної порції на поверхню ванни, після чого потужність збільшувалась до максимума на 4 о сек, «-

Використовувався режим осадження, при якому швидкість конденсації сплаву тантал-вольфрам на підкладці складала 2мкм/хв. Швидкість подачі дискретних порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву на поверхню о рідкої ванни складала близько 20г/хв. Час осадження склав бхв, товщина осадженого шару - близько 130мкм. Ге) ю в початковому стані та після вакуумного осадження покриття, мас. « з -; с (Осаджене покриття | Оси. | 96 14212247 149 18 ;» , Хімічний склад осадженого на підкладці покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву РУМА 1480, після осадження термообробленого у вакуумі при 10807С протягом 2 годин, приведений у табл.3.

Приклад З 1 Типовим прикладом сучасного багатокомпонентного жароміцного сплаву, що має широке застосування як б» матеріал лопаток газотурбінних двигунів, є сплав КЕМЕ-М5, що містить у своєму складі вольфрам та тантал та реній. (95) Вакуумне осадження багатокомпонентного жароміцного сплаву КЕМЕ-М5, хімічний склад якого приведений у шу 20 табл. 4, проводилося за методикою, аналогічній викладеній в прикладі 1, за винятком того, що зливок сплаву тугоплавких металів, який встановлювався у водоохолоджуваному тиглі, мав склад (мас. 95): вольфраму - 33, іЧе) танталу - 47, ренію - 20. У подаючому пристрої розміщалися порції багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, КЕМЕ-М5 у вигляді шматочків масою близько 0.5г, що були вирізані з лопаток, і потім були відпалені у вакуумі при 10807С протягом 1 години.

Використовувався режим осадження, при якому швидкість конденсації сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній на підкладці складала імкм/хв. Швидкість подачі дискретних порцій о багатокомпонентного жароміцного сплаву на поверхню рідкої ванни складала близько 10г/хв. Час осадження ко склав 8хв, товщина осадженого шару - близько ЗХОмкм. Потужність електронного променя, що затрачувалась на створення рідкої ванни та на випаровування, періодично змінювали з частотою З сек, при цьому мінімум 60 потужності збігався з подачею чергової дискретної порції на поверхню ванни.

Хімічний склад осадженого на підкладці покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву КЕМЕ-М5 після вакуумного відпалювання при 10807С протягом 1 години приведений у табл.4. Розподіл основних хімічних елементів по товщині осадженого шару багатокомпонентного жароміцного сплаву КЕМЕ-М5 приведено на Фіг.2. 65 Таблиця 4 в початковому стані та після вакуумного осадження покриття, мас. / станотаву | м сти |та ве|мо|со| ня ті в | ся двМЕМе (біт 7328 0262) ооояоов й (Осаджене покриття |Осн 7.5 4.7|6.912.6|1.4.7.410.15|5.8/0.020.003|0.04. 0.02)

Приклад 4

Вакуумне осадження багатокомпонентного жароміцного сплаву МАК-М-509, хімічний склад якого приведений то у табл. 5, проводилося за методикою, аналогічній викладеній в прикладі 1, за винятком того, що зливок сплаву тугоплавких металів, який встановлювався у водоохолоджуваному тиглі, мав склад (мас. 95): вольфраму - 67, танталу - 33. У пристрої, що подає, розміщалися порції багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується, МАК-М-509 у вигляді шматочків масою близько 5г, що були вирізані з прутка вищевказаного сплаву. т Використовувався режим осадження, при якому швидкість конденсації сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал на підкладці складала 2мкм/хв. Швидкість подачі дискретних порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву на поверхню рідкої ванни складала близько 25г/хв. Струм електронно-променевої гармати для випаровування періодично (5 разів на хвилину) змінювався від 2.5 А до 3.7 А, при цьому мінімум потужності впродовж 4 сек збігався з подачею чергової дискретної порції на поверхню ванни, після чого потужність збільшувалась до максимума на 8 сек. Час осадження склав 5хв, товщина осадженого шару - близько 120мкм. в початковому стані та після вакуумного осадження покриття, мас. сеІ о

Події 00000 осно ма в зо ол оя

Осаджене покриття | Осн | 245 71 39 о 01/04) (22)

Хімічний склад осадженого на підкладці покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву МАК-М-509 приведений у табл.5. --

Найбільший ефект застосування способу відповідно до винаходу виражений при вакуумному осадженні со покриття з багатокомпонентних жароміцних сплавів на лопатки газових турбін, наприклад, при їхньому ремонті, коли потрібно, щоб хімічний склад багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується на поверхню і лопатки, був аналогічний хімічному складу матеріалу лопатки. юю

Claims (4)

Формула винаходу «

1. Спосіб вакуумного осадження покриття з багатокомпонентного жароміцного сплаву, що містить у своєму й с складі вольфрам або вольфрам та тантал, або вольфрам та тантал та реній, на підкладку, який включає ц розміщення у встановленому у вакуумній камері одному охолоджуваному тиглі тугоплавкого металу або сплаву "» тугоплавких металів, розміщення в зазначеній вакуумній камері в подавальному пристрої багатокомпонентного жароміцного сплаву, що осаджується на підкладку, створення в охолоджуваному тиглі на поверхні тугоплавкого металу або сплаву тугоплавких металів рідкої ванни шляхом електронно-променевого нагрівання, подачу 1 згаданого багатокомпонентного жароміцного сплаву з подавального пристрою на поверхню рідкої ванни і випаровування поданого багатокомпонентного жароміцного сплаву і тугоплавкого металу або сплаву Ф тугоплавких металів з поверхні рідкої ванни з наступним осадженням пари, яка утворюється, на підкладку, який 9) відрізняється тим, що в охолоджуваному тиглі розміщують тугоплавкий метал вольфрам або сплав тугоплавких шу 20 металів вольфрам-тантал, або сплав тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній, співвідношення компонентів у якому відповідає розрахунковому співвідношенню цих компонентів у багатокомпонентному жароміцному сплаві, (Че) який осаджують за допомогою його дискретної подачі окремими порціями у вигляді шматочків або гранул на поверхню ванни з наступним спільним випаровуванням поданого багатокомпонентного жароміцного сплаву і тугоплавкого металу або сплаву вищезгаданих тугоплавких металів з поверхні рідкої ванни.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що потужність електронного променя, затрачувану на випаровування поданого багатокомпонентного жароміцного сплаву і тугоплавкого металу вольфраму або сплаву і) тугоплавких металів вольфрам-тантал, або сплаву тугоплавких металів вольфрам-тантал-реній, з поверхні ко рідкої ванни, змінюють періодично з частотою, яка дорівнює частоті подачі окремих порцій багатокомпонентного жароміцного сплаву на поверхню рідкої ванни. 60 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як багатокомпонентний жароміцний сплав, що осаджується на підкладку, використовують багатокомпонентний сплав на основі нікелю, що містить хром, титан, молібден, вольфрам, тантал, реній, алюміній, кобальт, гафній, ніобій, цирконій, бор, вуглець, причому зазначені компоненти узяті в наступному співвідношенні компонентів (мас. 96): б5 хром 2-30, титан 0,1-6,

молібден 0,5- 20, вольфрам 0,1-20, тантал 0,1 - 15, реній 0,1 -10, алюміній 0,1-8, кобальт 0,5 - 22, гафній 0,01 -2, ніобій 01-86, цирконій 0,01-3, бор 0,001- 011, вуглець 0,01-0,3, нікель решта.

4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як багатокомпонентний жароміцний сплав, що осаджується на підкладку, використовують багатокомпонентний сплав на основі кобальту, що містить хром, титан, вольфрам, тантал, реній, алюміній, нікель, залізо, цирконій, причому зазначені компоненти узяті в наступному співвідношенні компонентів (мас. 90): хром З - 35, титан 0,1-4, вольфрам 0,1 - 30, тантал 0,1 - 15, реній 0,1 -10, Га алюміній 0,1-8, нікель 1-40, о залізо 0,1-98, цирконій 0,01-3, кобальт решта. (є) - со (Се) Іс)

- . и? 1 (22) (95) - 70 3е) іме) 60 б5