температуроустойчивое покрытие для изделия из алюминиевого сплава

Формула изобретения

Температуроустойчивое покрытие для изделия из алюминиевого сплава, отличающееся тем, что покрытие состоит из промежуточного и основного слоев, причем промежуточный слой, сформированный на алюминиевом изделии, состоит из нитрида хрома толщиной 1-2 мкм, а основной слой толщиной 5-15 мкм имеет состав Zr_1-хAl_1-хN, где значение х находится в пределах 0,4-0,6.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области нанесения защитно-декоративных покрытий на изделия, изготовленные из алюминиевых сплавов с помощью дугового разряда в атмосфере химически активных газов. Может быть использовано для получения защитных покрытий на деталях, работающих в химической промышленности, в качестве декоративных покрытий в приборостроении и электронной промышленности. Кроме того, детали из легких сплавов с защитными покрытиями могут применяться в самолетостроении и космической технике.

Известно покрытие толщиной 4 мм, состоящее из твердого раствора (FeAl)_хN, нанесенное на подложку, изготовленную из алюминиевого сплава ионно-плазменным способом (PVD) (см. заявку Японии JR 91256984, С 23 С 14/06, заявлено 09.09.1999).

Однако покрытие, состоящее из твердого раствора (FeAl)_хN, нанесенное на подложку, изготовленную из алюминиевого сплава, имеет гексагональную кристаллическую решетку, а алюминиевая подложка имеет кубическую кристаллическую решетку. Таким образом, разница в кристаллических решетках приводит к появлению сжимающих напряжений и, в конечном итоге, к отслоению покрытия. Кроме того, наличие железа в твердом растворе приводит к снижению термоустойчивости при температуре 600-700С (873-973К). Поэтому изделие полностью теряет свои эксплуатационные свойства.

Известно покрытие, состоящее из молибдена, которое наносят на детали, изготовленные из алюминиевого сплава, содержащего более 20% кремния (см. “Нанесение твердых покрытий методом физического осаждения паров (PVD) на инструменты в декоративных целях”. С. 12. Симпозиум Государственного комитета СССР по науке и технике и фирмы Лейбольд-Гереус. Дом научно-технической пропаганды. - М., 1978).

Однако, известное покрытие обладает высокими эксплуатационными свойствами и высокой износоустойчивостью лишь при температуре до 200С (473К). Как показали исследования, уже при температуре 300С (573К) на молибдене образуется слой окалины, состоящий из окиси молибдена. Таким образом, детали, изготовленные из алюминиевых сплавов с покрытием из молибдена обладают низкими эксплуатационными свойствами при температуре, равной 500С (773К).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является покрытие, состоящее из нитрида циркония, которое наносят на детали, изготовленные из титанового сплава ВТ-1 и алюминиевого сплава САП 2 (см. журнал “Авиационная промышленность”. №3, 1988, с.51-52).

Недостатком известного покрытия, состоящего из нитрида циркония, является тот факт, что покрытие наносят на подложку с низкой твердостью. Ввиду того, что подложка и покрытие имеют большую разницу по коэффициенту линейного расширения, это приводит к образованию значительных сжимающих напряжений. Образование сжимающих напряжений служит основной причиной отслоения покрытий. Поэтому при высокой температуре и контактной нагрузке происходит отслоение покрытия и изделие полностью теряет свои эксплуатационные свойства.

Задачей заявляемого технического решения является повышение температуроустойчивости и износоустойчивости покрытия, наносимого на изделие, изготовленное из алюминиевого сплава при температуре 600-700С (873-973К), за счет нанесения заявляемого двухслойного покрытия.

Поставленная цель достигается тем, что, согласно заявляемому техническому решению, сначала на поверхности алюминиевой подложки, состоящей из твердого раствора алюминия и кремния, формируют промежуточный слой, состоящий из нитрида хрома толщиной 1-2 мкм. Покрытие из нитрида хрома имеет кубическую кристаллическую решетку, подложка из алюминия имеет также кубическую кристаллическую решетку. Таким образом, близость кристаллических решеток покрытия из нитрида хрома и подложки из алюминия исключает появление сжимающих напряжений, приводящих к появлению пор, и, в конечном итоге, к отслоению покрытия от подложки, изготовленной из алюминиевого сплава. Затем наносят основное покрытие, состоящее из Zr_xAl_1-xN, где значение х находится в пределах 0,4-0,6 толщиной 5-15 мкм, путем введения в плазму нитрида циркония алюминия. В этом случае получается покрытие с особо мелкозернистой кристаллической структурой и высокой термоустойчивостью при температуре, равной 600-700С (873-973К).

Обоснование заявляемой толщины промежуточного слоя, состоящего из нитрида хрома (CrN) толщиной от 1 мкм до 2 мкм.

Для обоснования толщины промежуточного слоя, состоящего из нитрида хрома (CrN) в вакуумную камеру установки "Булат-6" был установлен катод, изготовленный из хромового сплава Хч99а ТУ 14-5-128-86, и катод, изготовленный из циркониевого сплава 100, в торце которого выполнены отверстия диаметром, равным 5 мм, и глубиной 20 мм, в которые устанавливают стержни, изготовленные из алюминиевого сплава В95. Далее были изготовлены три пластины размером 42х15х2 мм из алюминиевого сплава АЛ-9, состоящего из 90% алюминия, 8% кремния, 2% магния. Образцы формировали по 3 штуки в каждой партии. На каждую партию пластин наносили подслой из нитрида хрома (CrN) различной толщины при температуре, равной 200-350°С(473-623К), и основное покрытие, состоящее из Zr_xAl_1-xN, где значение х составляет 0,5, толщиной 6 мкм. Нанесение промежуточного покрытия осуществлялось следующим образом. Перед нанесением промежуточного слоя образцы обезжиривали бензином, протирали салфеткой, смоченной спиртом и загружали в вакуумную камеру установки "Булат-6". Затем из вакуумной камеры откачивали воздух до остаточного давления, равного 510^-5 мм рт.ст., (6,6510^-3 Па), устанавливали ток горения дуги между катодом и камерой, равный 130 А, напряжение между подложкой и камерой, равное 1000 В, и производили бомбардировку ионами хрома до температуры 200-350С (473-623К). Далее на алюминиевую подложку наносили промежуточный слой, состоящий из нитрида хрома (ZrN) различной толщины от 0,3 до 3 мкм. Затем производили напуск реактивного газа-азота (N₂ ) - до остаточного давления (7-8)10^-3 мм рт.ст. (9,31-10,64 Па), снижали потенциал до 300 В, включали катод, изготовленный из сплава 100 с алюминиевыми стержнями, и наносили основное покрытие толщиной 6 мкм, состоящее из Zr_xAl_1-xN, где значение х составляет 0,5.

Критерием, удовлетворяющим требованию оптимального сцепления термоустойчивого покрытия с промежуточным слоем, является величина критической нагрузки, равная 35 Н. Таким образом, как видно из представленной таблицы 1, наибольшая адгезия между основным покрытием и промежуточным слоем обеспечивается при толщине промежуточного слоя 1-2 мкм. При выходе за указанные пределы наблюдается снижение величины адгезии.

Обоснование основного покрытия.

Для обоснования заданного физико-химического состава основного покрытия были изготовлены образцы из алюминиевого сплава АЛ9, состоящего из 8% кремния, 2% магния и 90% алюминия, размером 10 мм 10 мм и толщиной 3 мм. Образцы шлифовали, полировали, обезжиривали в ультразвуковом поле, промывали в этиловом спирте. Затем пластины устанавливали на многопозиционное вращающее устройство установки "Булат-6". Из вакуумной камеры установки “Булат-6 “ откачивали воздух до остаточного давления, равного 6,610^-3 Па. Затем производили бомбардировку ионами хрома до температуры, равной 200-350С (473-623К). После нагрева поверхности подложки наносили промежуточный слой, состоящий из нитрида хрома толщиной, равной 1 мкм. Затем наносили основное покрытие, состоящее из Zr_xAl_1-xN, где х находится в пределах 0,1-0,8. Таким образом, на образцы, изготовленные из алюминиевого сплава, нанесли восемь составов покрытий. Затем образцы с различными составами основного покрытия подвергались испытаниям на стойкость к окислению при повышенной температуре. Для качественной оценки степени окисления использовали весовой показатель процесса окисления К=(5-6)10^-8 кг/м² - изменение массы.

Критерием, удовлетворяющим требованию оптимального сцепления термоустойчивого покрытия с промежуточным слоем является величина критической нагрузки, равная 35 Н, и величина скорости окисления не менее К=(5-6)10^-8кг/м². Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таким образом, как видно из таблицы 2, наибольшая адгезия между основным покрытием и промежуточным слоем и наименьшее окисление наблюдается у покрытия, состоящего из Zr_xAl_1-x N, где значение х находится в пределах 0,4 - 0,6, при выходе за указанные пределы величина адгезии уменьшается.

Обоснование толщины основного покрытия.

Для обоснования толщины основного покрытия были изготовлены образцы из сплава Ал 9, состоящего из 8% кремния, 2% магния и 90% алюминия размером 10 мм 10 мм и толщиной 3 мм. Образцы шлифовали, полировали, обезжиривали ультразвуковой мойкой и протирали салфеткой, смоченной этиловым спиртом. Затем пластины устанавливали на многопозиционное вращающееся устройство установки Булат-6. Из вакуумной камеры установки Булат-6 откачивали воздух до остаточного давления 510^-5 мм рт.ст. (6,6510^-3 Па). Затем проводили бомбардировку ионами хрома до температуры, равной 200-350С (473-623К).

После нагрева поверхности подложки наносили промежуточный слой, состоящий из нитрида хрома толщиной, равной 1 мкм. Затем наносили основное покрытие, состоящее из Zr_хAl_1-хN различной толщины от 1 до 19 мкм. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Критерием, удовлетворяющим требованию оптимального сцепления термоустойчивого покрытия с промежуточным слоем, является величина критической нагрузки, равная 35 Н. Таким образом, как видно из таблицы 3, наибольшая адгезия между основным покрытием и промежуточным слоем обеспечивается при толщине основного основного покрытия 5-15 мкм.

При выходе за указанные пределы величина адгезии уменьшается.

Пример конкретного выполнения.

Для примера конкретного выполнения была выбрана корпусная деталь агрегата жидкостных ракетных двигателей (ж.р.д.), обладающая сложной формой и изготовлненная из алюминиевого сплава АК9Ч. Основной причиной износа корпусных деталей является образование трещин из-за неоднородности химического состава заготовок под воздействием температуры, равной 500-600С (723-873К). Корпусную деталь, изготовленную из алюминиевого сплава А.К9Ч, обезжиривали бензином, протирали салфеткой, смоченной этиловым спиртом. Затем деталь закрепляли на оси, установленной в вакуумной камере. Предварительно в вакуумную камеру устанавливали один катод, изготовленный из хромового сплава Хч99 ТУ 14-5-128-86, а другой катод, изготовленный из циркониевого сплава 100, в торце катода высверлены отверстия, в которые установлены 45 стержней, изготовленных из алюминиевого сплава В95. После установки корпуса в вакуумной камере откачивали воздух до остаточного давления, равного 510^-3 мм рт.ст. (6,510^-3 Па). При достижении заданного давления между подложкой и камерой устанавливали потенциал, равный 1000 В, устанавливали ток горения дуги на катоде, изготовленном из хромового сплава Хч99 Ту 14-5-128-86, равный 130 А, и проводили разогрев изделия ионами хрома до температуры, равной 200-350С (473-623К). Затем наносили промежуточный слой, состоящий из нитрида хрома толщиной 1 мкм, и основное покрытие, состоящее из Zr_xAl_1-хN, где значение х находится в пределах 0,4-0,6, толщиной, равной 6 мкм. После нанесения покрытия деталь подвергалась асимметричной циклической нагрузке при температуре, равной 500-600С (773-873)К. Результаты испытаний представлены в таблице 4.

Как видно из представленной таблицы 4, корпус с покрытием, состоящим из Zi_xAl_1-хN, где значение х находится в пределах 0,4-0,6, имеет предел усталости в 1,2 раза выше по сравнению с корпусом, покрытым нитридом циркония.

По сравнению с прототипом заявляемый состав термоустойчивого покрытия имеет следующие преимущества: 1) позволяет увеличить эксплуатационные характеристики в 2 раза по сравнению с прототипом; 2) позволяет использовать изделия при температуре 600-700С (873-973К); 3) исключает отслоение покрытия от алюминиевой подложки при температуре, равной 600-700С (873-973К).

Источники информации

1. Заявка Японии JP 91256984, С 23 С 14/06, заявлена 09.09.1991.

2. Нанесение твердых покрытий методом физического осаждения паров (PVD) на инструменты в декоративных целях. Симпозиум Государственного комитета СССР по науке и технике и фирмы Лейбольд-Гереус (ФРГ). Дом научно-технической пропаганды. Москва.

3. Журнал "Авиационная промышленность". №3, 1988, с.51-52.