способ обработки поверхности металлического изделия

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы токопроводящего материала, накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия, отличающийся тем, что накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхности изделия осуществляют при отрицательном потенциале на изделии, устанавливая его значение сначала в диапазоне 250-500 В, затем в диапазоне 0-150 В, а в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе Ni, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Al	3-15
Cr	1-20
Y	0,05-0,6
Ni	Остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлическое изделие выполнено из титана или сплава на его основе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для модифицирования поверхности деталей машин с целью повышения их служебных характеристик.

Известен способ обработки поверхности изделия путем бомбардировки ее ионами плазмы, генерируемой электрическим разрядом, который включает предварительную подготовку поверхности обрабатываемого изделия, размещение изделия в вакуумной камере, генерацию в вакуумной камере плазмы материала модификатора одним из известных способов, формирование из плазмы ускоренного ионного пучка, направленного на поверхность обрабатываемого изделия, или непосредственную обработку поверхности изделия ионами плазмы при подаче на изделие отрицательного электрического потенциала. Вследствие внедрения ионов плазмы в поверхностный слой путем диффузии или имплантации и создания искажений в кристаллической решетке под действием ионной бомбардировки, а также изменения элементного состава поверхностного слоя происходит модифицирование поверхностного слоя изделия за счет ее легирования, приводящее к изменению эксплуатационных свойств изделия (Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. Под редакцией Дж. М.Поута, Г.Фоти, Д.К.Джекобсона. М.: Машиностроение. - 1987, - 424 с.)

Недостатком известного способа является низкая плотность ионного тока на поверхности изделия, а соответственно и низкая скорость обработки поверхности изделия. Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ обработки поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы токопроводящего материала, диффузию и накопление ионов токопроводящего материала на поверхности изделия, в котором накопление и диффузию токопроводящего материала сначала проводят при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 0-200 В и толщиной 1-10 мкм, а затем при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 300-1000 В и температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия. Металлическое изделие выполнено из стали. В качестве токопроводящего материала используют титан или сплав на основе титана (Патент РФ № 2188251).

Недостатком известного способа является низкая жаростойкость и стойкость к солевой коррозии поверхности изделия.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости и стойкости поверхности изделия к солевой коррозии, а также снижение стоимости процесса ионной обработки поверхности.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ обработки поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на токопроводящий материал, возбуждение на токопроводящем материале вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы, бомбардировку, очистку и нагрев изделия ионами плазмы токопроводящего материала, накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия, при накоплении и диффузии токопроводящего материала на поверхности изделия один или несколько раз изменяют отрицательный потенциал на изделии, устанавливая его значение сначала в диапазоне 250-500 В, затем в диапазоне 0-150 В, а в качестве токопроводящего материала используют сплав на основе Ni, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Al	3÷15
Cr	1÷20
Y	0,05÷0,6
Ni	остальное

Металлическое изделие выполнено из титана или сплава на его основе.

Бомбардировка поверхности изделия ионами плазмы токопроводящего материала при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 250-1000 В ( ₂) сопровождается очисткой поверхности за счет ионного травления поверхности и ионным нагревом изделия. Степень нагрева определяется величиной отрицательного потенциала, подаваемого на изделие и током ионов, бомбардирующих поверхность, который в свою очередь пропорционален току вакуумно-дугового разряда, горящего в парах токопроводящего материала (сплава на основе никеля). При достижении поверхности изделия определенной для каждой пары материала изделия и токопроводящего материала температуры процесс ионного нагрева и очистки поверхности завершается, начинается процесс накопления и диффузии токопроводящего материала на поверхности изделия. В зависимости от величины отрицательного потенциала на изделии ( ₂), накопление и диффузия протекает преимущественно либо за счет ускоренной термостимулированной диффузии ионов плазмы токопроводящего материала (ионов сплава на основе никеля) в поверхность металлического изделия ( ₂=250-500 В), либо преимущественно за счет осаждения на поверхности ионов токопроводящего материала ( ₂=0-150 В). Ведение процесса обработки поверхности изделия из сплава на основе титана при изменяемом поочередно один или несколько раз отрицательном потенциале на изделии, устанавливая каждый раз его значение из диапазона 250-500 В и из диапазона 0-150 В позволяет получать на поверхности изделия диффузионный слой либо различной глубины на основе титана и никеля, легированный элементами, входящими в токопроводящий материал и в титановый сплав, либо диффузионный слой и внешний слой из токопроводящего материала. Наиболее высокие значения жаростойкости и стойкости к солевой коррозии имеют изделия из сплава на основе титана, поверхность которых обработана в плазме токопроводящего материала из сплава на основе никеля, следующего химического состава, мас.%:

Al	3÷15
Cr	1÷20
Y	0,05÷0,5
Ni	остальное

Диффузионный слой большой глубины, формируемый при нескольких последовательных изменениях отрицательного потенциала на изделии, или диффузионный слой с внешним слоем из сплава на основе никеля, получаемый при последовательном изменении отрицательного потенциала на изделии, обеспечивают высокие защитные свойства обработанной поверхности изделия из титанового сплава. Исследования показывают, что такие слои обладает высокой жаростойкостью и стойкостью к солевой коррозии, что позволяет длительно использовать обработанный титановый сплав при максимально высоких температурах во всеклиматических условиях. Применение в качестве токопроводящего материала сплава на основе никеля и переход на процесс ионной обработки поверхности изделия позволяет в целом значительно снизить стоимость ионной обработки по сравнению с процессом титаноцирконирования поверхности (стоимость никелевого сплава в 3,5 раза ниже стоимости титаноциркониевого сплава). Поэтому применение в качестве токопроводящего материала сплава на основе никеля позволяет достигнуть технической задачи изобретения, а именно повышения жаростойкости изделия с поверхностной обработкой и одновременно обеспечения высокой сопротивляемости его к солевой коррозии, а также снижения стоимости процесса ионной обработки поверхности.

Примеры осуществления

Пример 1. (Технология № 1 - Т1) Для обработки поверхности изделия, например рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава ВТ8М1 и образцов из этого же сплава, проводили предварительную подготовку (удаление загрязнений и обезжиривание) поверхности лопатки и образцов, после этого размещали в зоне обработки лопатку, образцы и токопроводящий материал (сплав на основе никеля), создавали в зоне обработки вакуум при давлении Р 10^-3 Па. В качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе никеля следующего состава, мас.%:

Al	3
Cr	1
Y	0,05
Ni	остальное

Затем подавали отрицательный потенциал на сплав на основе никеля ₁=-(30-90) В и отдельно на лопатку и образцы ₂=-(900-1000) В, после чего одним из известных способов, например путем разрыва токового контакта на сплаве на основе никеля, возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе никеля и начинали процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала для очистки и ионного нагрева поверхности обрабатываемых изделий при ₂=-1000 В и токе вакуумной дуги 250 А. Процесс очистки поверхности обрабатываемых изделий и их нагрев до температуры 500°С длится 3 минуты, после чего проводили в течение 30 минут диффузию и накопление в поверхности обрабатываемых изделий ионов токопроводящего сплава на основе никеля при ₂=-400 В и токе вакуумной дуги 400 А на глубину 24-25 мкм при температуре поверхности изделия 480-500°С. Затем в течение 18 минут проводили накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхность изделия путем его преимущественного осаждения при отрицательном потенциале на изделиях ₂=0 В, что соответствует толщине слоя на поверхности изделия 5-6 мкм. Глубину диффузионного слоя определяли металлографическим анализом по микрошлифам, изготовленным из образцов титанового сплава ВТ8М1. Испытания образцов на жаростойкость проводили при температуре 550°С в спокойной атмосфере печи при выдержке до 500 ч. Критерием жаростойкости было время выдержки до образования дефектов на поверхности образца. Испытания на солевую коррозию проводили по методике ускоренных циклических испытаний в 3% растворе NaCl при температуре нагрева, равной 550°С. В каждом цикле испытаний образцы выдерживали в печи на воздухе при Т=550°С в течение 1 часа, затем образцы подстуживались на воздухе 1,5÷2 мин и окунались в 3% раствор NaCl, а далее выдерживались во влажном эксикаторе 22÷24 часа. Количество циклов испытаний равно 10. После каждого цикла испытаний проводили осмотр образцов (визуально и с помощью бинокулярного микроскопа) и их взвешивание на аналитических весах. Коррозионную стойкость оценивали как отношение площади образца, подверженной коррозии к площади образца в процентах после каждого цикла испытаний.

Пример 2. Пример аналогичен примеру 1, но в качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе никеля следующего состава, мас.%:

Al	7,5
Cr	10
Y	0,3
Ni	остальное

Пример 3. Пример аналогичен примеру 1, но в качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе никеля следующего состава, мас.%:

Al	15
Cr	20
Y	0,6
Ni	остальное

Пример 4. (Технология № 2 - Т2) Пример аналогичен примеру 2, но после проведения ионной очистки проводили в течение 10 минут накопление и диффузию на поверхности изделия токопроводящего материала при отрицательном потенциале ₂=-50 В, путем его преимущественного осаждения, а затем проводили накопление и диффузию ионов токопроводящего материала в поверхность изделия при ₂=-250 В в течение 45 минут на глубину (20-22) мкм (температура поверхности изделия <500°С), после чего проводили снова накопление на поверхности изделия токопроводящего материала, путем его осаждения при ₂=-100В в течение 30 минут (толщина слоя 5 мкм).

Пример 5. (Технология №3 - Т3) Пример аналогичен примеру 4, только в качестве изделия были взят ниппель подачи топлива из сплава ВТ-9 и после проведения ионной очистки при ₂=-750 В в течение 3 минут проводили накопление и диффузию токопроводящего материала при ₃=-500 В и токе дуги 300 А в течение 20 минут (температура поверхности изделия ˜500°С, глубина слоя 24-25 мкм), затем накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхности изделия путем его осаждения при ₂=-150 В в течение 20 минут, после чего проводили накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхности изделия при ₂=-350 В и токе дуги 350 А в течение 10 минут.

Пример 6. (Технология № 1 - Т1) Пример аналогичен примеру 1, только в качестве изделия (рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя) были взяты лопатки компрессора из стали ЭИ961 и образцов из этой стали. Испытания образцов и лопаток на жаростойкость и коррозионную стойкость проводили при температуре 600°С

Пример 7 - прототип, в качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе Ti-Zr с содержанием Zr 50 мас.%. Полученные результаты представлены в таблице.

№ п/п	Токопроводящий материал, (% по массе) / Технология №	Жаростойкость	Коррозия
		Время до появления дефектов, ч	Число циклов до образования дефектов на 10% поверхности
1	Ni - 3% Al - 1% Cr - 0,05% Y /T1	500	>10
2	Ni - 7,5% Al - 10% Cr - 0,3% Y /T1	>500	>10
3	Ni - 15% Al - 20% Cr - 0,6% Y /T1	>500	8
4	Ni - 7,5% Al - 10% Cr - 0,3% Y /T2	>500	>10
5	Ni - 7,5% Al - 10% Cr - 0,3% Y /Т3	>500	>10
6	Ni - 3% Al - 1% Cr - 0,05% Y /T1	>500	6
7	Т - 50% Zr	120	6

Обработка поверхности лопаток и образцов из сплава на основе титана ВТ8М1 в плазме сплава на основе никеля системы Ni-Al-Cr-Y приводит по сравнению с прототипом (изделия из сплава ВТ8М1, обработанные в плазме сплава Ti - 50% Zr) к существенному повышению жаростойкости изделий и стойкости поверхности изделия к солевой коррозии. Состав 1, имеющий низкое содержание Cr, Al и Y, обладает удовлетворительной жаростойкостью и высокой коррозионной стойкостью. Составы 2 и 3, имеющие повышенное содержание Al, Cr и Y, обладают более высокой жаростойкостью по сравнению с составом 1, причем состав 3 с наиболее высоким содержанием этих элементов является наиболее жаростойким. Однако повышение содержания этих элементов в сплаве по сравнению с составом 1 приводит к обратной зависимости по результатам коррозионных испытаний. Иттрий, являясь самым малым по количеству компонентом никелевого сплава, служит для улучшения связи окисной пленки с основой и изменения его содержания в сплаве в указанном диапазоне количественных изменений не может объяснить наблюдаемых экспериментальных результатов. Поэтому за повышение жаростойкости ответственно в основном увеличение содержания Al и Cr. При этом содержание Al, равное 15 мас.% в никелевом сплаве, является пороговым, выше которого наступает охрупчивание сплава. С другой стороны повышение содержания в сплаве Cr более (20 мас.%), благоприятно сказывающееся на росте жаростойкости, в условиях воздействия солевой коррозии приводит к образованию на поверхности изделия шпинелей с большим содержанием Cr₂O₃, которые снижают стойкость к солевой коррозии. В целом указанные диапазоны изменения содержания компонентов в никелевом сплаве позволяют в зависимости от эксплуатационных условий варьировать состав защитного поверхностного слоя, обеспечивая либо максимальный уровень жаростойкости при достаточно высокой стойкости к солевой коррозии, либо наоборот. Что касается иттрия, то его процентное содержание должно быть таким, чтобы он на поверхности связывался в виде окисла с другими окислами, присутствующими в шпинели (в основном с окислами Al), поэтому его содержание в сплаве на основе никеля должно выбираться в зависимости от содержания в сплаве Al. Аналогичные результаты получены и для титановых сплавов ВТ8, ВТ18У и жаропрочного сплава ЖС6У на основе никеля и компрессорной стали ЭИ961.

Применение предлагаемого способа позволит увеличить в два раза ресурс лопаток компрессора газотурбинного двигателя, изготовленных из сплавов на основе титана во всеклиматических условиях эксплуатации (тропики, морские условия).

Применение изобретения в промышленности для обработки поверхности лопаток компрессора даст значительный экономический эффект. По расчетам авторов эффект составит до 35-40% от их стоимости.