способ получения многослойного покрытия
Классы МПК: | C23C4/00 Способы покрытия путем распыления материала в расплавленном состоянии, например пламенное, плазменное или дуговое напыление |
Автор(ы): | Штейбух Мила Шлемовна, Светлакова Татьяна Николаевна |
Патентообладатель(и): | Штейбух Мила Шлемовна, Светлакова Татьяна Николаевна |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-09-03 публикация патента:
10.12.1995 |
Изобретение относится к способам нанесения покрытий на стальные поверхности и может быть использовано в компрессоростроении. Сущность изобретения: в способе получения многослойного покрытия на стальной поверхности плазменным напылением слоев, в одном из которых содержится алюминий с химически стойкими антифрикционными добавками, имеющими слоистую структуру, нанесение покрытий осуществляется в среде инертных газов с добавлением ионов водорода с образованием смеси гидратированных форм оксида алюминия и нанесением на готовую поверхность слоя полимерного материала.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ на стальной поверхности, включающий напыление слоев в среде инертного газа, например, аргона с добавлением водорода, в одном из которых содержится алюминий или никель с химически инертной добавкой на основе BN или C, а в качестве подслоя напыляют покрытие из композиционного порошка или дополнительных промежуточных слоев из смесей композиционных порошков Al BN и Ni Al или C Ni и Ni Al.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способам нанесения покрытий на стальные поверхности и может быть использовано в компрессоростроении. Известен способ получения покрытия на поверхности, включающий плакирование алюминиевым сплавом [1]Однако такое покрытие обладает повышенный хрупкостью и имеет низкую коррозионную стойкость при механических нагрузках. Известен и другой способ получения покрытия путем напыления смесей мягкого металла с твердой смазкой [2] прототип. Данный способ является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату. Однако, данный способ, не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости и стойкости к сероводородному коррозионному растрескиванию. Цель изобретения повышение коррозионной стойкости и стойкости против сероводородного коррозионного растрескивания. Указанная цель достигается тем, что в способе получения многослойного покрытия на стальной поверхности, который включает в себя плазменное напыление слоев, в одном из которых содержится алюминий с химически стойкими антифрикционными добавками, имеющими слоистую структуру. Нанесение покрытия осуществляют в среде инертных газов с добавлением ионов водорода и образованием смеси гидратированных форм оксида алюминия и нанесением на поверхность готового покрытия слоя полимерного материала, инертного по отношению к коррозионной среде (Н2S). Способ нанесения покрытий заключается в следующем:
стальная поверхность обезжиривается и подвергается струйно-абразивной обработке. Первый слой наносится из композиционного порошка алюминий-никель в среде инертного газа, например, аргона или смеси аргона и азота и о добавлением ионов водорода, или образующихся при плазменном напылении в результате диссоциации паров воды воздуха, или при добавлении к аргону водорода или совмещение двух предыдущих способов. В результате нанесения первого слоя, содержащего алюминий и никель, в нем образовались гидратированные формы оксидов алюминия, например,
Al2O3H2O;
Al2O3H2O;
Al2O33H2O, Al2O3H2O. Алюминий и никель обладают высокой коррозионной стойкостью в среде влажного сероводорода. Оксид алюминия растворяется только в щелочах, при этом образуется гидрооксид алюминия. Гидрооксид алюминия со слабыми кислотами не реагирует. В образовавшихся парах "сталь-алюминий", "сталь-никель" и "никель-алюминий" алюминий является анодом по отношению к стали и никелю, а никель катодом в обоих случаях. Анодные металлы в гальванопаре активно растворяются, тормозя при этом коррозию стали. Катодные металлы защищают сталь до возникновения повреждения в покрытии. При локальном разрушении таких покрытий защищаемый металл, будучи анодом, интенсивно корродирует и поэтому наносится второй слой покрытия. Образовавшийся оксид никеля снижает способность никеля к растворению в кислотах. При этом возможно нанесение промежуточных слоев из смеси композиционных порошков, содержащих алюминий, никель и химически инертные антифрикционные добавки. Второй слой наносится из композиционного порошка, содержащего алюминий, или никель и химически инертную в среде влажного сероводорода добавку со слоистой структурой, например, нитрит бора или углерод (BN, C). Химически инертные добавки на основе BN и С вводятся в покрытие в качестве компонента порошка состава "металл-твердая смазка". Присутствие в порошке добавок, имеющих слоистую структуру и являющихся твердыми смазками, повышает пластичность покрытия и облегчает деформирование покрытия при механических нагрузках. При этом ВN и С являются практически химически инертными в окислительных средах до 900оС, восстановительной, инертной средах, в т.ч. среде влажного сероводорода. Слой наносится в среде инертного газа, например, аргона или смеси аргона и азота с добавлением ионов водорода, или образующихся при плазменном напылении в результате диссоциации паров воды воздуха, или при добавлении к аргону водорода или совмещением двух предыдущих способов. Второй слой, содержащий алюминий, смесь гидратированных форм оксида алюминия и гидрооксид алюминия, например Al2O3H2O; и AlO(OH) или никель и оксид никеля, поскольку подключение к двухэлектродной системе дополнительного электрода, смещающего общий потенциал трехэлектродной системы, ведет к уменьшению или прекращению вообще работы коррозионного элемента Eок-Eоа. Защита от коррозии усиливается, поскольку водород, выделяющийся при взаимодействии с водяными парами в среде влажного сероводорода, адсорбируется не только на вновь образующемся оксиде алюминия, но и на оксидах алюминия, образовавшихся при напылении, что уменьшает концентрацию адсорбируемого водорода и соответственно снижает хрупкость покрытия. На готовое покрытие наносится слой полимерного материала, который уменьшает проникновение агрессивной среды к защищаемой поверхности и снижает скорость растворения металла покрытия. Присутствие ионов водорода в плазмообразующем газе влияет на напряжение электрической дуги. Концентрация ионов водорода оказывает влияние на прочность уплотнения, пористость покрытия и твердость. При этом зависимости не носят линейный характер. Пластически свойства покрытий и их коррозионная стойкость определяются совокупностью этих факторов. В связи с этим исследовалось влияние на стойкость против СКР напряжения электрической дуги при нанесении плазменного слоя. Результаты испытаний на стойкость против СКР в лабораторных условиях показали, что наиболее коррозионностойкими являются образцы с покрытиями, нанесенными при концентрации ионов водорода в плазмообразующем газе, обеспечивающем напряжение электрической дуги 55-68В (см. табл.2). Испытания на стойкость против сероводородного коррозионного растрескивания проводили в соответствии с методикой МСКР-01-85. В лабораторных условиях испытания проводили в модельной Н2S-содержащей среде состава 5% NaCl+0,5% CH3COOH с начальными значениями pH 3,00,2Ф и конечным pH более 4,5, при температуре 203оС. Концентрация Н2S на протяжении всего времени испытаний поддерживалась постоянным пропусканием сероводорода через ячейку с рабочим раствором. Содержание H2S в рабочей среде в процессе испытаний составляло не менее 2,4 г/л. Испытания на Карачаганагском месторождении проводили в сепараторе 4-й технологической линии при Р=7,9 МПа и температуре 30-65оС. Согласно МСКР-01-88 базовое время испытаний при определении условного порогового напряжения 120 ч. Испытание прекращается в случае разрыва образцов. Величина нагрузки рассчитывалась по формуле:
Р=К 02S,
где Р нагрузка на образец;
S сечение образца, м2;
02 нормативный предел текучести условной, принятый при проведении испытаний 0,8-0,9 от фактического предела текучести стали. Определение механических свойств образцов проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах Р-5 и ГР 1000/1. Для проведения испытаний были изготовлены приспособления с резьбой Н8 и М12. В результате испытаний фиксировались: предел текучести (условный) (02), предел прочности (0), относительное изменение (,) и относительное сужение(,). Микроскопическое исследование образцов проводили на металлографических микроскопах "Неофот" и "Мим-7". Испытания образцов показали, что покрытия во всех случаях повышают стойкость стали против СКР. Образцы с покрытиями не разрушались в процессе испытаний, при этом дополнительное нанесение полимера на завершающий плазменный слой улучшало защитные свойства покрытия за счет барьерных функций. С целью объяснения механизма наблюдаемых явлений был проведен рентгенографический фазовый анализ:
покрытий, полученных при использовании в качестве плазмообразующего газа смеси Ar+H2 до и после испытаний образцов на стойкость против СКР;
покрытий, полученных при использовании в качестве плазмообразующего газа Ar+N2;
порошков для нанесения покрытий. Рентгеноструктурный анализ фазового состава покрытий производили на дифрактометре ДРОН-3 по стандартной методике на излучении Cок. Результаты фазового анализа приведены ниже, в табл.3. Сравнительный фазовый состав композиционных порошков и покрытий на их основе приведен в табл.1. Предлагаемый способ многослойного покрытия снижает затраты на изготовление роторов за счет упрощения технологии. Изобретение может найти применение для повышения эксплуатационных характеристик и ремонта выпускаемых машин, а также в перспективных разработках новых типов компрессорных установок.
Класс C23C4/00 Способы покрытия путем распыления материала в расплавленном состоянии, например пламенное, плазменное или дуговое напыление