способ изготовления и термической обработки поджигных электродов из сплава 29 нк

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОДЖИГНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ИЗ СПЛАВА 29 НК преимущественно при изготовлении пазных катодов стационарных плазменных космических двигателей малой тяги, включающий механическую обработку, пайку, нанесение многослойного износостойкого покрытия методом плазменного напыления и вакуумную термическую обработку, отличающийся тем, что вначале напыляют интерметаллид никель алюминий толщиной 50 100 мкм затем оксид алюминия слоем 70 160 мкм и нитрид титана 5 25 мкм, а проводят вакуумную пайку керамикой при 1100 1220^oС с одновременным отжигом в течение 5 15 мин от температуры пайки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на слой оксида алюминия напыляют слой оксида циркония толщиной 30 80 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на слой оксида алюминия напыляют слой нитрида циркония толщиной 7 15 мкм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев до температур пайки с отжигом ведут со скоростью 200 400 град/ч.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отжиг ведут при охлаждении со скоростью 100 150 град/мин от температур пайки до 880 890^oС.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение от температур отжига проводят со скоростью 100 500 град/г.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что развакуумирование рабочего пространства при отжиге ведут при 120 150^oС.

8. Способ по п. 3, отличающийся тем, что нитрид циркония напыляют на слой оксида алюминия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к нанесению покрытий плазменным напылением на железоникелькобальтовые сплавы с заданными КЛТР, подвергаемые пайке с керамикой при изготовлении узлов космических стационарных плазменных двигателей малой тяги, и может найти применение также в электротехнике, энергетике и приборостроении.

Известен способ напыления комплексно легированными порошками и интерметаллидами никель-алюминий, никель-титан деталей для повышения жаростойкости и износостойкости [1]

Способ не универсален, неэффективен для деталей с тонкими рабочими кромками, не позволяет получить прочного равномерного слоя, трудоемок во исполнении, применим к массивным деталям двигателей.

Известен другой способ повышения качества нанесенного термическим напылением керамического покрытия Al₂O₃ на металлическом подслое путем лазерного оплавления [2]

Недостатки способа в сложности осуществления, повышенной хрупкости кромок и неудовлетворительных оптических терморадиационных коэффициентах поверхностного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ нанесения двухслойного напыленного покрытия 20-00 мкм по металлическому подслою [3]

Недостатки способа в неудовлетворительном сочетании коэффициентов расширения, недостаточная термостойкость при теплосменах в глубоком вакууме, низкая электропроводность, препятствующая запуску катода стационарного плазменного двигателя, мал ресурс работы покрытия.

Цель повышение стойкости в ионной плазме при повышении термостойкости и получении оптимального соотношения оптических терморадиационных характеристик.

Кроме того предусматривается снижение трудоемкости, деформации и повышение технологичности процесса пайки и отжига.

Сущность процессов создания многослойного износостойкого напыленного покрытия на поджигных электродах катодов в следующем:

интерметаллид никельалюминиевого порошка ПН85Ю15 мелкодисперсного производства НПО "Тулачермет" является лучшим совместимым со сплавом 29НК компонентом для плазменного напыления. При вакуумной пайке с отжигом при выбранных температурах при минимальной пористости покрытия он создает прочно связанный с основой подслой;

окись алюминия Al₂O₃ имеет высокую стойкость в ионной плазме и повышенную укрывистость при напылении, что позволяет напылять слои в 1,5-1,7 раза толще подслоя, но при этом исключается шелушение и отрыв слоя по переходной зоне;

нитрид титана весьма стоек в ионной плазме, имеет температуру плавления выше 3100^оС и при нанесении тончайшим слоем улучшает класс чистоты поверхности при лучшем соотношении степени черноты и коэффициента поглощения солнечной радиации при нанесении на подслой керамического порошка, кроме того он коррозионностоек во влажной атмосфере;

выбранная температура пайки и отжига обеспечивает высокую прочность спая ковара 29НК с керамическими изоляторами из ВК-94-1, обеспечивает вакуумную плотность спая и согласование КЛТР в паяном соединении, одновременно увеличивается прочность связи защитного слоя вследствие протекания диффузионных процессов по границе интерметалл основной металл и интерметаллид-напыленная керамика;

регламентированная скорость нагрева и охлаждения позволяет снизить тепловую деформацию при сохранении достаточной тепло- и электропроводности барьерных слоев, что улучшает условия поджига и выхода электрода и катода на рабочий режим.

При практическом осуществлении способа электроды изготовляли из прутков ковара 29НК диаметром 35 мм по ГОСТ 14082-78, для напыления использовали порошки интерметаллида никель-алюминий по ТУ 14-1-3882-81 зернистостью 40-100 мкм, окиси алюминия 14А, 15А по ТУ 2-036-297-77 и 70,700 по ГОСТ 6912-74. Напыление проводили на установке УПУ-30. Ионное плазменное напыление нитрида титана и циркония проводили на установке МИР-2 и УИПН-КГУ.

Вакуумную пайку и отжиг вели в печах СГВ-2.4./15И2 припоями ВПР-4 и медненым титаном, керамика 22ЛС-ВК94-1 по ОСТ 11 027.029-78 перед пайкой металлизовалась вжиганием молибденмарганцевой пасты.

П р и м е р. Электроды поджигные электрического двигателя малой тяги М-70 для оснащения космического объекта изготовляли и обрабатывали по предложенному способу.

После механической обработки сплава 29НК на рабочую часть напыляли интерметаллид никель-алюминий слоем 100 мкм, затем этим же плазменно-дуговым методом напыляли слой керамики 160 мкм и ионноплазменным методом напыляли нитрид титана 15 мкм.

Электроды паяли к корпусу из титанового сплава ВТ-1-0 через вакуумплотную керамику, изолятор из ВК-94-1 при температуре пайки 1220^оС. Вакуум в рабочем пространстве печи был 10^-5 мм рт.ст. после растекания припоя подстуживали садку до 890^оС и выдерживали в течение 15 мин.

Скорость нагрева в вакууме была 200^оС/ч, а охлаждение вели со скоростью 400^оС/ч после окончания выдержки при отжиге.

В результате обработки получен на рабочей поверхности износостойкий слой с ресурсом работы 5100-5200 ч, вдвое выше, чем при обработке по прототипу. Термостойкость при термоциклировании в глубоком вакууме при температуре разогрева рабочих кромок выше 600^оС составила 10⁴ циклов. Одновременно в 1,6 раза снижена трудоемкость обработки, исключена деформация по диаметру и высоте электрода.

Оптические коэффициенты были степень черноты 0,67-0,72 при коэффициенте поглощения солнечной радиации 0,58-0,59, что позволило улучшить тепловой режим катода. Одновременно нанесенный слой не ухудшил условия поджига, время выхода на рабочий режим сохранилось на уровне стандартных электродов установки М-70.

В таблице приведены сравнительные характеристики износостойких слоев, полученные при обработке по предложенному способу в сравнении с известным.

Как показали производственные испытания, предложенный способ прост в осуществлении, технологичен и позволяет улучшить энергетические характеристики двигателей малой тяги для космоса.