Патент на изобретение №2347847

(54) СПОСОБ ДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно к способам диффузионного насыщения деталей, изготовленных из жаропрочных сплавов на основе никеля, применяемых для работы в условиях воздействия агрессивной газовой среды при температурах 700-1100°С. Способ включает нагрев и последовательное насыщение деталей диффундирующими элементами в циркулирующей среде, содержащей галогениды. В качестве источников диффундирующих элементов используют кобальт, хром и алюминий. В качестве галогенидов используют галогенид аммония. Сначала проводят одновременное насыщение кобальтом и хромом в среде, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: диффундирующие элементы – кобальт и хром – 85-99,8, галогенид аммония – 0,2-15, при соотношении кобальта и хрома 20-85 и 15-80 мас.% соответственно, после чего проводят насыщение алюминием. Причем насыщение диффундирующими элементами проводят при температуре >900°С, но не выше температуры закалки сплава на основе никеля. В качестве галогенида аммония используют йодистый аммоний или хлористый аммоний, или бромистый аммоний, или фтористый аммоний, или их смесь. Технический результат – повышение качества и долговечности покрытия. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, в частности к разделу химико-термической обработки деталей, изготовленных из сплавов, применяемых для работы в условиях воздействия агрессивной газовой среды при температурах 700-1100°С, и может использоваться для защиты деталей от солевой коррозии.

Известен способ порошкового диффузионного насыщения кобальтом и хромом (кобальтхромирования), в котором полости охлаждаемых лопаток газовой турбины, например из никелевого жаропрочного сплава В-1900, сначала засыпают смесью, содержащей, мас.%: Ni₃Al – 18,5; Al₂О₃ – 18; Со – 47,6; Cr – 15,5; NH₄Cl – 0,5. Затем лопатки помещают в ящик и засыпают смесью, содержащей, мас.%: Ni₃Al – 18,5; Al₂O₃ – 18; Со – 46,5; Cr – 15; NH₄I – 2 [Коломыцев П.Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов. – М.: Металлургия. 1984, с.150].

Для исключения спекания смеси содержание порошка оксида алюминия должно быть не менее 18%. Процесс осаждения кобальта ведут при температуре 1093°С в течение 10 часов в токе водорода. В итоге получают во внутренней полости лопатки покрытие с повышенным содержанием хрома и незначительной концентрацией кобальта, а на наружной поверхности – с повышенным содержанием кобальта и незначительной концентрацией хрома.

После кобальтхромирования проводят алитирование или хромоалитирование деталей одним из известных способов, например в порошковых смесях или газовым способом. Недостатком известного способа кобальтирования является то, что применение порошковой смеси сопровождается ее спеканием и формированием в поверхностном слое включений частиц оксида аммония, которые существенно повышают шероховатость поверхностей и вызывают необходимость в проведении дополнительных операций механической очистки внутренней полости и наружной поверхности деталей. Наличие частиц порошковой смеси на поверхности деталей приводит при последующем алитировании или хромоалитировании к образованию значительного количества дефектов в виде пор и неметаллических включений. Кроме того, неравномерное распределение частиц порошковой смеси в полости лопаток (в щелях, каналах, отверстиях перфорации) сопровождается забиванием полостей, особенно в зонах с более низкой концентрацией оксида алюминия. Забивание полостей порошковой смесью сопровождается неоправданной отбраковкой деталей, затрудняет их очистку.

Известен также способ диффузионного насыщения деталей из жаропрочного сплава на основе никеля, включающий нагрев и последовательное насыщение деталей диффундирующими элементами в циркулирующей среде, содержащей галогениды (Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985, с.247-252) – прототип. Недостаток данного способа заключается в том, что получаемое покрытие не обладает достаточной жаростойкостью и стойкостью против солевой коррозии при высоких температурах, что существенно снижает их качество и долговечность.

Технический результат заявленного способа – повышение качества и долговечности покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе диффузионного насыщения деталей из жаропрочных сплавов на основе никеля, включающем нагрев и последовательное насыщение деталей диффундирующими элементами в циркулирующей среде, содержащей галогениды, в качестве диффундирующих элементов используют кобальт, хром и алюминий, а в качестве галогенидов – галогенид аммония, при этом сначала проводят одновременное насыщение кобальтом и хромом в среде, содержащей компоненты при следующем соотношении мас.%:

при соотношении кобальта и хрома 20-85 и 15-80 мас.% соответственно, после чего проводят насыщение алюминием, причем насыщение диффундирующими элементами проводят при температуре >900°С, но не выше температуры закалки сплава на основе никеля.

В качестве галогенида аммония можно использовать йодистый аммоний, или хлористый аммоний, или бромистый аммоний, или фтористый аммоний, или их смесь.

Диффузионное насыщение можно осуществить при температуре >900°С, но не выше температуры закалки сплавов, поскольку при нагреве выше температуры закалки возможно локальное оплавление структурных составляющих и снижение характеристик жаропрочности защищаемых сплавов.

Кобальт обеспечивает прочность сцепления покрытия со сплавом, образует оксидную пленку, которая обладает более высокой сопротивляемостью солевой коррозии, чем пленка оксида никеля на никелевых жаропрочных сплавах. Кобальт уменьшает скорость солевой коррозии никелевых сплавов, поскольку молекулярный объем сульфидов кобальта меньше, чем у сульфидов никеля, и скорость диффузии ионов кобальта через оксидную пленку существенно меньше, чем у ионов никеля.

Хром вводят в покрытие для достижения максимальной сопротивляемости сплавов солевой коррозии, которая достигается при содержании хрома в покрытии в количестве 35-45%, однако по соображениям прочности для исключения разрушения слоя -фазой содержание хрома в слое покрытия ограничивают 20-25%, при этом сохраняется высокая сопротивляемость газовой коррозии. При содержании хрома в муфеле менее 15% протекает преимущественное кобальтирование сплавов, а при содержании хрома более 80% по отношению к кобальту наблюдается преимущественное хромирование сплавов.

Галогенсодержащие соли хлорида, фторида, бромида, йодида аммония или их смесь добавляют для образования газообразных соединений с кобальтом и хромом, ответственных за перенос кобальта и хрома на поверхность деталей с помощью химических транспортных реакций.

При содержании галогенидов аммония, которые используют в качестве активатора, в количестве менее 0,2% процесс кобальтхромирования протекает замедленно и неэффективно. Избыточное количество галогенида аммония более 15% также нецелесообразно из-за нарастания давления и выброса избыточных газов в атмосферу, кроме того, увеличение давления газов, содержащих галогениды хрома и кобальта, больше атмосферного не приводит к увеличению скорости насыщения деталей кобальтом и хромом.

Для усиления защитных свойств после кобальтхромирования проводят порошковое или газовое алитирование или хромоалитирование деталей известными способами путем введения алюминия в поверхностный слой и формирования жаростойкого покрытия на базе алюминидов никеля и кобальта.

При реализации способа нанесения покрытий на сплавы может быть использована установка, например, приведенная в патенте RU №2270880 С1, 27.02.2006 г., С23С 10/14, в которой осуществляют процесс диффузионного насыщения в циркулирующей газовой среде.

Примеры диффузионного насыщения поверхностей деталей из жаропрочных сплавов на основе никеля методом диффузионного насыщения в циркулирующей галогенидной среде с различным составом компонентов для насыщения в рабочей камере приведены ниже.

Пример 1. Проводили кобальтхромирование деталей из сплавов ЧС88У, ЧС104, ЖС6У, ЖС32 в среде, содержащей, мас.%: [кобальт 41+хром 59] – 90; йодид аммония – 10, при температуре 1030°С в течение 4-х часов. Получили покрытие толщиной 30 мкм, содержащие 20-28% хрома и 30-50% кобальта.

Затем проводили алитирование в газовой среде, содержащей алюминий и хлорид алюминия, при температуре 1000°С в течение 6 часов. Получали покрытие толщиной 50 мкм, в котором основной структурной составляющей была фаза (Ni,Co)Al.

Пример 2. Проводили кобальтхромирование деталей из сплавов ЧС88У, ЧС104, ЖС32 в среде, содержащей, мас.%: [кобальт 54+хром 46] – 92; смесь галогенидов (37% NH₄Cl+63% NH₄I) – 8, при температуре 1050°С в течение 4-х часов. Получили покрытие толщиной 30-40 мкм, содержащее 17-18% хрома и 40-50% кобальта. Затем проводили алитирование в газовой среде, содержащей алюминий и хлорид алюминия, при температуре 1000°С в течение 6-ти часов. Получали покрытие толщиной 50 мкм, в котором основной структурной составляющей была фаза (Ni,Co)Al.

Пример 3. Проводили кобальтхромирование деталей из сплавов ЧС88У, ЧС104 в среде, содержащей, мас.%: [кобальт 42+хром 58] – 90; фторид аммония – 10, при температуре 1030°С в течение 4-х часов. Получали равномерный слой покрытия толщиной 18-20 мкм. Затем проводили алитирование в газовой среде, содержащей алюминий и хлорид алюминия, при температуре 1000°С в течение 6 часов. Получали покрытие толщиной 50 мкм, в котором основной структурной составляющей была фаза (Ni,Co)Al.

Предлагаемый способ позволяет получать равномерные по толщине и однородные по составу высококачественные покрытия как на наружной поверхности, так и в полостях охлаждаемых лопаток газовых турбин, при этом покрытия обладают высокой жаростойкостью и стойкостью против солевой коррозии при высоких температурах, что существенно повышает их качество и долговечность.

Формула изобретения

1. Способ диффузионного насыщения деталей из жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий нагрев и последовательное насыщение деталей диффундирующими элементами в циркулирующей среде, содержащей галогениды, отличающийся тем, что в качестве источников диффундирующих элементов используют кобальт, хром и алюминий, а в качестве галогенидов – галогенид аммония, при этом сначала проводят одновременное насыщение кобальтом и хромом в среде, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

при соотношении кобальта и хрома 20-85 и 15-80 мас.% соответственно, после чего проводят насыщение алюминием, причем насыщение диффундирующими элементами проводят при температуре >900°С, но не выше температуры закалки сплава на основе никеля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве галогенида аммония используют йодистый аммоний или хлористый аммоний, или бромистый аммоний, или фтористый аммоний, или их смесь.