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 токопроводящего материала, накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия с образованием покрытия, отличающийся тем, что в качестве токопроводящего материала используют цирконий или сплав на основе циркония, а накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят при отрицательном потенциале на изделии 150-400 В в среде реакционного газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина покрытия составляет 8-25 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед возбуждением на токопроводящем материале вакуумной дуги поверхность изделия бомбардируют ионами инертного газа с энергией 0,5-3 кВ.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реакционного газа используют азот или смесь азота с аргоном с соотношением (9-1):1 при давлении 0,1-0,66 Па.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлическое изделие подвергается финишной обработке.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве финишной обработки используют виброшлифование или дробеструйную обработку поверхности микрошариками.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве финишной обработки используют термообработку в вакууме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для обработки поверхности деталей машин, в особенности для лопаток компрессора газотурбинных двигателей и установок, с целью повышения их служебных характеристик.

Способ обработки поверхности изделия путем бомбардировки ее ионами плазмы, генерируемой электрическим разрядом, широко известен в науке и технике.

Способ включает предварительную подготовку поверхности обрабатываемой детали, размещение детали в вакуумной камере, генерацию в вакуумной камере плазмы материала модификатора одним из известных способов, формирование из плазмы ускоренного ионного пучка, направленного на поверхность обрабатываемой детали, или непосредственную обработку поверхности детали ионами плазмы при подаче на деталь 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 детали за счет ее легирования, приводящее к изменению эксплуатационных свойств детали (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 детали и низкая скорость обработки поверхности детали, что ограничивает его применение в машиностроении.

Известен способ нанесения износостойких покрытий и повышения долговечности деталей, включающий нанесение на металлическую подложку катодным распылением трехслойного покрытия из чередующихся слоев, при этом первый слой получают в разряде нейтрального газа из одного или смеси переходных металлов IVA-VIA групп, второй - осаждением указанных металлов в смеси нейтрального и реакционных газов, а третий слой - осаждением в смеси нейтрального и реакционных газов нитридов, или карбидов, или боридов указанных металлов (Патент РФ №2161661).

Известен также способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия, включающий проведение перед нанесением многослойного покрытия ионной имплантации ионами азота и постимплантационный отпуск, совмещенный с нанесением многослойного покрытия, которое наносят многократным чередованием слоев титана, - нитрида титана и - титана, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл (Патент РФ 2226227).

Недостатком известных способов нанесения многослойных покрытий является сложность технологии и высокая трудоемкость их получения (много технологических переходов и технологических операций), низкая стойкость многослойных структур к эрозионному износу при лобовом ударе и низкая их жаростойкость, приводящая к отслаиванию слоев при рабочих температурах.

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 (из титана или сплава на основе титана), 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 токопроводящего материала, накопление и диффузию 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, при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия (Патент РФ №2188251).

Недостатком известного способа является низкая стойкость обработанной поверхности изделия к пылевой эрозии и недостаточная жаростойкость покрытия в области температур (500-600)°С, что не позволяет использовать известный способ для защиты деталей машин, в том числе лопаток компрессора газотурбинных двигателей в условиях запыленной атмосферы при длительных ресурсах.

Технической задачей изобретения является повышение стойкости поверхности изделия с покрытием к пылевой эрозии как при касательном обтекании пылевоздушного потока, так и при нормальном обтекании (лобовой удар), повышение жаростойкости поверхности обработанного изделия при сохранении прочности изделия, а также упрощение технологического процесса обработки поверхности.

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 поверхности изделия ионами токопроводящего материала, накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия, в котором в качестве токопроводящего материала используют цирконий или сплав на основе циркония, а накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 150-400 В в среде реакционного газа. После извлечения изделия из зоны обработки его подвергают финишной обработке.

Толщина покрытия после обработки поверхности металлического изделия составляет 8-25 мкм.

Перед возбуждением на токопроводящем материале вакуумной дуги при недостаточной очистке поверхности изделия его бомбардируют ионами инертного газа с энергией 0,5-3 кВ.

В качестве реакционного газа используют азот или смесь азота с аргоном при соотношении (9-1):1 при давлении 0,1-0,66 Па.

После извлечения изделия из зоны обработки его можно подвергать финишной обработке.

В качестве финишной обработки используют виброшлифование или дробеструйную обработку поверхности микрошариками или термообработку в вакууме.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что при бомбардировке поверхности изделия ионами плазмы токопроводящего материала на стадии ионной очистки (при глубоком вакууме), которая сопровождается ионным нагревом изделия с последующим модифицированием материала изделия цирконием или сплавом на основе циркония, обеспечивается адгезия между поверхностью изделия и износостойким покрытием и повышение коррозионной стойкости материала изделия за счет преимущественной диффузии модификаторов в поверхность изделия и изменения структурно-фазового состояния поверхности. Переход от ионной очистки к стадии накопления и диффузии ионов токопроводящего материала на поверхности изделия в среде реакционного газа приводит к формированию на поверхности износостойкого слоя, состоящего из нитридов циркония или сложнокомпонентных нитридов сплава на основе циркония, имеющего значительно (в несколько раз) более высокую стойкость к пылевой эрозии (испытания речным песком с размером частиц до ˜300 мкм), чем просто модифицированный слой, и высокую жаростойкость при максимально допустимой температуре эксплуатации материала изделия. Формирование качественного нитридного износостойкого слоя в реакционной среде при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 150-400 В обусловлено тем, что износостойкий слой имеет значительно более низкий коэффициент катодного распыления при ионной бомбардировке поверхности, чем модифицированный слой.

В зависимости от требований, предъявляемых к изделию, толщина покрытия может быть различной, но предпочтительно составляет 8-25 мкм.

Термообработка обработанного изделия в вакууме позволяет стабилизировать и гомогенизировать структуру поверхностного слоя изделия за счет диффузионного взаимодействия матрицы с микрокапельной фазой, присутствующей в покрытии при вакуумно-дуговом способе генерации плазмы токопроводящего изделия, и снизить уровень остаточных напряжений в поверхностном слое, что приводит к значительному увеличению эрозионной стойкости поверхности.

Лопатки компрессора должны иметь полированную поверхность и так как к шероховатости поверхности лопаток предъявляются высокие требования, то при предварительной подготовке поверхности изделия исключают пескоструйную (сухую или гидроабразивную) обработку поверхности и лопатки проходят только стадии промывок в обезжиривающих составах. При необходимости, с целью окончательной очистки поверхности перед ее обработкой в плазме токопроводящего материала и перед возбуждением на токопроводящем материале вакуумной дуги, поверхность таких лопаток бомбардируют ионами инертного газа с энергией 0,5-3 кВ.

Степень нагрева поверхности изделия 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. Поэтому регулирование отрицательного потенциала в пределах 150-400 В позволяет проводить процесс обработки поверхности металлического изделия при температурах 450-630°С.

Примеры осуществления

Примеры 1-8. Для обработки поверхности изделия, например роторной (рабочей) лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава ВТ8-1, ЭП866 и образцов из титановых сплавов ВТ8-1, ВТ20, ВТ9 и стали ЭП866 проводили предварительную подготовку (удаление загрязнений и обезжиривание) поверхности изделий. Обработку поверхности металлического изделия проводили на промышленной ионно-плазменной установке МАП-2 с компьютерной системой управления технологическим процессом, имеющей газоразрядный источник ионов аргона Е×Н типа с током до 200 мА и напряжением до 4 кВ, вакуумно-дуговой генератор плазмы токопроводящего материала с током до 1000 А, систему для подачи в вакуумный объем реакционного газа и регулирования его давления, систему для подачи и регулирования напряжения на обрабатываемые изделия в диапазоне от 0 до 1000 В, а также планетарный привод вращения на 24 позиции для размещения обрабатываемых изделий. Затем размещали в зоне обработки изделия и токопроводящий материал - цирконий или его сплавы и создавали в зоне обработки вакуум при давлении Р 0,1 Па. Затем опускали газоразрядный источник ионов аргона в зону обработки изделия и начинали процесс ионной очистки поверхности изделия бомбардировкой ионами инертного газа (аргона) с энергией 0,5-3 кВ. После завершения процесса газоразрядный источник ионов аргона удаляли из зоны обработки изделия и подавали отрицательный потенциал на токопроводящий материал ₁=-(30-100) В и отдельно на лопатку ₂=-(300-600) В. После чего одним из известных способов, например путем разрыва токового контакта, на токопроводящем материале возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого материала с образованием плазмы токопроводящего материала (циркония или его сплава) и начинали процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала с очистки и ионного нагрева поверхности изделия при ₂=-450 В и токе вакуумной дуги 350 А. Процесс очистки поверхности изделия и ее термоактивации длится ˜2-3 минуты (контроль по снижению частоты пробоев в цепи источника подачи потенциала на деталь до 5-20 Гц), проводили диффузию и накопление ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии 150-400 В в среде реакционного газа азота при давлении 0,1-0,66 Па. Полученные образцы и лопатки подвергались следующим исследованиям и испытаниям:

- на жаростойкость в спокойной атмосфере печи при температуре 500°С в течение 300 ч и определялся удельный привес ( m_уд, г/м²) после проведения испытаний и сравнивался внешний вид образцов;

- на относительную эрозионную стойкость при углах атаки 20 и 70 град. пылевоздушного потока на основе речного песка с фракцией до 300 мкм и расходе песка 1,23 кг. Определялось отношение уноса массы образцов с покрытием к уносу массы без покрытия при углах атаки 20 и 70 град. - ₂₀ и ₇₀;

- на коррозионную стойкость в тропической камере (длительность испытаний 8 мес.), в камере соляного тумана (длительность испытаний 5 мес.), в 3% растворе NaCl (длительность испытаний 5 мес.). Коррозионная стойкость оценивалась по внешнему виду образцов. При всех видах испытаний покрытий коррозионных повреждений в виде точечной коррозии или отслоений не наблюдалось. Наблюдалось изменение цвета поверхности образцов. При этом минимальные изменения в поверхности образцов отмечены знаком (+++), незначительные изменение цвета отмечены знаком (++), более сильные изменения (сильное потемнение поверхности) знаком (+), а неудовлетворительная коррозионная стойкость знаком (-).

Пример 9-11. Пример аналогичен примерам 1-8, но в качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе циркония в среде реакционного газа смесь азота с аргоном и в качестве финишной обработки использовали виброшлифование или дробеструйную обработку поверхности микрошариками.

Пример 12-13. Пример аналогичен прототипу, но в качестве токопроводящего материала использовали цирконий и в качестве финишной обработки использовали термообработку в вакууме.

Пример 14. Пример прототип, в качестве токопроводящего материала использовали сплав на основе титана и циркония

Полученные результаты представлены в таблице.

Таблица
№ п/п	Материал основы	Токопроводящий материал	2, В	Жаростойкость, г/м2	Коррозионная стойкость	Относительный эрозионный унос
						20	70
1.	ВТ8-1	Zr	150	-7,1	+	0,18	0,42
2.	ВТ8-1	Zr	150	-5,8	+	0,14	0,09
3.	ВТ8-1	Zr	275	-6,6	+++	0,07	0,06
4.	ВТ8-1	Zr	275	-6,7	++	0,09	0,15
5.	ВТ8-1	Zr	400	-6,9	++	0,14	0,47
6.	ЭП866	Zr	400	-7,0	++	0,05	0,1
7.	ВТ8-1	Zr	400	-5,3	+++	0,06	0,14
8.	ЭП866	Zr	400	-5,4	+++	0,07	0,12
9.	ВТ8-1	Сплав на основе Zr	275	-7,6	+	0,12	0,09
10.	ВТ20	Сплав на основе Zr	275	-7,7	+	0,15	0,16
11.	ВТ9	Сплав на основе Zr	275	-7,9	+	0,16	0,18
12.	ВТ8	Zr	275	-12,7	+	0,18	0,21
13.	ЭП866	Zr	275	-12,8	+	0,13	0,15
14.	ВТ8	Прототип TiZr	300	-18,7	-	1,02	1,06

Обработка поверхности изделия из титанового сплава ВТ8-1 и стали ЭП 866 в плазме Zr или его сплава приводит по сравнению с прототипом к многократному повышению стойкости поверхности к пылевой эрозии, жаростойкости и коррозионной стойкости и практически не оказывает влияние на механические характеристики титанового сплава ВТ8-1 и стали ЭП866 при толщине слоя до 20 мкм и в первую очередь на предел выносливости обработанных сплава и стали. Испытания на многоцикловую усталость образцов из титановых сплавов и сталей показывают, что снижение предела выносливости на 20% преимущественно для толщин 20-25 мкм можно устранить после виброшлифовки поверхности образцов или дробеструйной обработки поверхности образцов микрошариками. Применение термической обработки в вакууме образцов при температуре 600°С в течение 2-4 ч приводит к увеличению эрозионной стойкости. Проведенные исследования показали, что в качестве токопроводящего материала можно использовать известные сплавы на основе циркония, что удешевляет стоимость процесса. Применение в качестве реакционного газа азота или смеси азота с аргоном при их соотношении (9-1):1 и давлении 0,1-0,66 Па обеспечивает стабильное горение вакуумной дуги при малых токах, вплоть до 50 А и не оказывает сильного влияния на свойства обработанных изделий.

Предложенный способ обработки поверхности металлического изделия обеспечивает достижение технической задачи изобретения, а именно повышение стойкости поверхности изделия с покрытием к пылевой эрозии как при касательном обтекании пылевоздушного потока, так и при нормальном обтекании (лобовой удар), повышение жаростойкости поверхности обработанного изделия при сохранении прочности изделия, а также упрощение технологического процесса обработки поверхности за счет уменьшения числа технологических операций и технологических переходов с различными токовыми и временными параметрами и упрощения ионно- плазменного оборудования (исключение из состава оборудования газового и металлического импланторов), необходимого для реализации способа.

Применение изобретения в промышленности для обработки поверхности лопаток компрессора газотурбинных двигателей и установок повышает их надежность и ресурс.