Патент на изобретение №2375495

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛЯХ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области получения металлокерамического покрытия на деталях сложной конфигурации, выполненных из никелевых сплавов. Способ включает нанесение на деталь сначала никелевого слоя, а затем методом окунания слоя шликера, содержащего суспензию смеси окислов металлов в воде. Далее проводят сушку до полного удаления влаги с наружной и внутренней поверхностей, формирование металлокерамического покрытия в защитной среде путем обжига и охлаждение детали до комнатной температуры. Причем перед формированием металлокерамического покрытия деталь размещают в контейнере, откачивают из него воздух до остаточного давления не ниже 1·10^-1 мм рт.ст. После чего размещают контейнер в печи и нагревают деталь до температуры выше температуры кипения воды в течение времени, обеспечивающего полный прогрев всех участков детали, и выдерживают деталь при непрерывной откачке паров воды из контейнера до полного удаления остаточной влаги из пор нанесенных слоев покрытия. Технический результат – исключение дефектов вспучивания покрытия в процессе обжига и повышение выхода годной продукции. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области получения металлокерамического покрытия на деталях сложной конфигурации, выполненных из никельсодержащих сплавов и предварительно покрытых защитными слоями, предохраняющими их поверхности от воздействия агрессивных сред при экстремальных условиях эксплуатации.

Детали сложной конфигурации в таких условиях подвергаются воздействию при высоких температурах и давлении кислородосодержащего газа в присутствии частиц алюминиевого сплава АМ_г-6, приводящему к эрозии и возгоранию детали.

Для защиты таких деталей от разрушения в экстремальных условиях была использована технология нанесения на их поверхность методом ионно-плазменного напыления толстослойного (до 300 мкм) никелевого покрытия, являющегося стойким к окислению и возгоранию в кислородосодержащей среде (патент России 2192501, 2000 г.). Напыленное и отожженное покрытие после охлаждения до комнатной температуры подвергали термической обработке – диффузионному отжигу – в вакуумной печи при температуре 1000-1050°С и разрежением не ниже 1·10^-3 мм рт.ст. Было получено плотное и прочное покрытие с достаточно высокой адгезией к поверхности детали.

Однако полученное никелевое покрытие при испытаниях в составе энергетической установки показало недостаточную устойчивость к эрозионному воздействию частиц алюминиевого сплава АМ₂-6, в результате чего происходил унос никелевого покрытия этими частицами и возгорание основного металла в среде кислорода.

Для повышения степени защиты никелевого покрытия от воздействия указанных выше частиц в экстремальных условиях был предложен способ нанесения на никелевый слой металлокерамического покрытия, устойчивого к эрозионному воздействию (патент США 6090191, 1999 г.). Металлокерамическое покрытие на никелевый слой наносили путем окунания детали в шликер, содержащий смесь его компонентов в воде. Полученный слой подвергали термической обработке путем сушки в потоке горячего воздуха до полного удаления влаги с труднодоступных мест наружной и внутренней поверхностей детали. Далее высушенную деталь помещали в контейнер, заполняли его аргоном и обжигали металлокерамическое покрытие в вакуумной печи при температуре 1000-1050°С. Охлаждение контейнера осуществляли с печью до комнатной температуры.

Однако при нанесении шликера на поверхность никелевого покрытия присутствующая в нем влага проникает в поры этого покрытия и в процессе нагрева не успевает испариться полностью. В результате в микропорах развивается высокое давление паров воды, приводящее к вспучиванию некоторых участков никелевого слоя и, как следствие, выходу детали в брак.

При использовании термовакуумной сушки деталей, включающей сначала нагрев ее до требуемой температуры, а затем откачивание влаги с труднодоступных мест, не было достигнуто полного удаления воды из микропор никелевого покрытия даже после предварительного его нагрева в потоке воздуха, что вызвало вспучивание никелевого слоя в некоторых участках покрытия.

Задача изобретения – создание технологии получения металлокерамического покрытия на деталях сложной конфигурации, выполненных из высоколегированных никелевых сплавов и предварительно покрытых никелевым, а затем металлокерамическим слоями, обеспечивающей надежную защиту полученного покрытия от воздействия агрессивной среды в экстремальных условиях за счет повышения степени удаления из него влаги.

Задача решена за счет того, что в способе получения металлокерамического покрытия на деталях из никелевых сплавов, включающем нанесение на деталь сначала никелевого слоя, а затем методом окунания слоя шликера, содержащего суспензию смеси окислов металлов в воде, сушку до полного удаления влаги с наружной и внутренней поверхностей, формирование металлокерамического покрытия в защитной среде путем обжига и охлаждение детали до комнатной температуры, при этом перед формированием металлокерамического покрытия деталь помещают в контейнер, откачивают из него воздух до остаточного давления не ниже 1·10^-1 мм рт.ст., размещают контейнер в печи и нагревают деталь до температуры выше температуры кипения воды в течение времени, обеспечивающего полный прогрев всех участков детали, и выдерживают деталь при непрерывной откачке паров воды из контейнера до полного удаления остаточной влаги из пор нанесенных слоев покрытия.

Контейнер с деталью после откачки воздуха размещают в вакуумной печи, предварительно нагретой до 300±50°С печь.

Нагрев детали в контейнере осуществляют до температуры 140-160°С в течение 1,0-1,5 час.

В качестве защитной среды используют аргон.

Формирование металлокерамического покрытия проводят путем обжига при температуре 1000-1050°С.

Технический результат – исключение дефектов вспучивания покрытия в процессе обжига и повышение выхода годной продукции.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

На поверхность детали сложной конфигурации, например рабочего колеса турбины, наносят никелевый слой заданной толщины, преимущественно ионно-плазменным напылением, а на него – металлокерамический слой методом окунания детали в шликер, содержащий суспензию смеси окислов металлов в воде. Образовавшееся на поверхности детали покрытие подвергают термической обработке. Вначале деталь с покрытием сушат или в сушильном шкафу, или в потоке горячего газа, преимущественно воздуха. Процесс сушки проводят до полного удаления влаги с внешней и внутренней поверхностей колеса. Далее высушенную деталь помещают в металлический контейнер, герметизируют его с последующей откачкой воздуха до разрежения порядка 1-3·10^-1 мм рт.ст. Вместе с откачиваемым воздухом из относительно крупных пор обоих слоев покрытия удаляется и часть влаги. Перед тем, как расположить контейнер с деталью в вакуумную печь, последнюю разогревают преимущественно до температуры 250-350°С. В разогретую печь помещают контейнер и осуществляют медленный нагрев детали в течение времени 1,0-1,5 часа до достижения ее температуры выше температуры кипения воды. Медленный подъем температуры детали позволяет полностью прогреть все ее участки до требуемой величины. При достижении указанной температуры, преимущественно 150±10°С, и при непрерывной откачке контейнера производят изотермическую выдержку в течение времени, обеспечивающего удаление паров из микропор как никелевого, так и металлокерамического слоев покрытия. Время изотермической выдержки зависит от технологических особенностей процесса термообработки. После охлаждения контейнера с деталью до комнатной температуры его заполняют инертным газом – аргоном – и снова помещают в печь. Разогрев печи осуществляют до температуры 1000-1050°С и при ней производят выдержку, при которой протекает процесс формирования металлокерамического покрытия путем его обжига. Далее обожженную деталь охлаждают с печью.

Предложенная технология была применена на нескольких деталях – рабочих колесах турбины различных диаметров и толщин. Визуальное наблюдение показало на отсутствие дефектов вспучивания на их поверхностях. При испытаниях этих деталей в составе энергетических устройств в экстремальных условиях разрушения покрытий не наблюдалось.

Формула изобретения

1. Способ получения металлокерамического покрытия на деталях из никелевых сплавов, включающий нанесение на деталь сначала никелевого слоя, а затем методом окунания слоя шликера, содержащего суспензию смеси окислов металлов в воде, сушку до полного удаления влаги с наружной и внутренней поверхностей, формирование металлокерамического покрытия в защитной среде путем обжига и охлаждение детали до комнатной температуры, отличающийся тем, что перед формированием металлокерамического покрытия деталь размещают в контейнере, откачивают из него воздух до остаточного давления не ниже 1·10^-1 мм рт.ст., размещают контейнер в печи и нагревают деталь до температуры выше температуры кипения воды в течение времени, обеспечивающего полный прогрев всех участков детали, и выдерживают деталь при непрерывной откачке паров воды из контейнера до полного удаления остаточной влаги из пор нанесенных слоев покрытия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после откачки воздуха, контейнер с деталью размещают в вакуумной печи, предварительно нагретой до температуры 300±50°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев детали в контейнере осуществляют до температуры 140-160°С в течение 1,0-1,5 ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитной среды используют аргон.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование металлокерамического покрытия путем обжига проводят при температуре 1000-1050°С.