способ обработки поверхности металлического изделия

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности металлического изделия, включающий удаление загрязнений с поверхности изделия и ее обезжиривание, 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 ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия при отрицательном потенциале в диапазоне 0-500 В, отличающийся тем, что накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят в две стадии, на первой стадии проводят процесс диффузии и накопления ионов плазмы токопроводящего материала с получением модифицированного слоя на основе элементов материала изделия и токопроводящего материала или диффузионного слоя с внешней прослойкой из токопроводящего материала, а после завершения первой стадии в зону обработки подают реакционный газ и проводят вторую стадию процесса с накоплением и диффузией на поверхности металлического изделия ионов плазмы токопроводящего материала в среде реакционного газа, причем время первой и второй стадий выбирают из соотношения 1:(2-7) и в процессе второй стадии, по крайней мере, один раз прерывают подачу реакционного газа на время, равное 0,02-0,12 от продолжительности второй стадии.

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

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий материал выполнен из циркония, или титана, или хрома, или сплавов на их основе.

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

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реакционного газа используют смесь азота, ацетилена и кислорода при соотношении (8-1):(8-1):1 и давлении 0,1-0,66 Па.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для обработки 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 детали и низкая скорость обработки поверхности детали, что ограничивает его применение в машиностроении.

Известен 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 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 являются недостаточно высокие жаростойкость и стойкость к коррозии обработанной поверхности изделия во всеклиматических условиях.

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 сплава на основе никеля, 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 ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия при отрицательном потенциале на изделии, устанавливая его значение сначала в диапазоне 250-500 В, затем в диапазоне 0-150 В. Металлическое изделие выполнено из титана или сплава на его основе (Патент РФ №2283894).

Недостатком известного способа-прототипа является низкая эрозионная стойкость системы металлическое изделие-покрытие, что ограничивает ее использование для металлических изделий, подвергающихся эрозионному и коррозионному воздействию в различных климатических условиях.

Технической задачей изобретения является повышение эрозионной стойкости системы металлическое изделие-покрытие при сохранении высокой жаростойкости и стойкости поверхности изделия к солевой коррозии, а также возможности использования в качестве металлического изделия не только титана и сплавов на его основе, но и конструкционных сталей и никелевых сплавов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ обработки поверхности металлического изделия, включающий удаление загрязнений с поверхности изделия и ее обезжиривание, 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 ионов токопроводящего материала на поверхности изделия при температуре поверхности изделия ниже температуры разупрочнения материала изделия при отрицательном потенциале в диапазоне 0-500 В, в котором накопление и диффузию ионов токопроводящего материала на поверхности изделия проводят в две стадии, на первой стадии проводят процесс диффузии и накопления ионов плазмы токопроводящего материала с получением модифицированного слоя на основе элементов материала изделия и токопроводящего материала или диффузионного слоя с внешней прослойкой из токопроводящего материала, а после завершения первой стадии в зону обработки подают реакционный газ и проводят вторую стадию процесса с накоплением и диффузией на поверхности металлического изделия ионов плазмы токопроводящего материала в среде реакционного газа, причем время первой и второй стадий выбирают из соотношения 1:(2-7) и в процессе второй стадии, по крайней мере, один раз прерывают подачу реакционного газа на время, равное 0,02-0,12 от продолжительности второй стадии процесса.

Металлическое изделие выполнено из титана или сплава на его основе или стали, или сплава на основе никеля. Токопроводящий материал выполнен из циркония, или титана, или хрома, или сплавов на их основе. В качестве реакционного газа используют азот, или ацетилен, или смеси азота с аргоном или азота с ацетиленом при соотношении (9-1):1 и давлении 0,1-0,66 Па, или смесь азота, ацетилена и кислорода при соотношении (8-1):(8-1):1 и давлении 0,1-0,66 Па.

Бомбардировка поверхности изделия ионами плазмы токопроводящего материала 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. При достижении поверхности изделия определенной для каждой пары материала изделия и токопроводящего материала температуры процессы ионного нагрева и очистки поверхности изделия стабилизируются и начинается процесс диффузии и накопления ионов токопроводящего материала на поверхности изделия. Последующую обработку поверхности после процесса ионной очистки и нагрева проводят в две стадии. На первой стадии проводят процесс диффузии и накопления ионов токопроводящего материала на поверхности изделия и в зависимости от величины отрицательного потенциала на изделии ( ₂) диффузия и накопление протекают либо за счет ускоренной термостимулированной диффузии ионов плазмы токопроводящего материала в поверхность металлического изделия ( ₂=150÷500 В), либо за счет осаждения на поверхности изделия ионов токопроводящего материала ( ₂=0÷150 В), что позволяет получать в поверхностной зоне изделия модифицированный (диффузионный) слой различной глубины на основе элементов материала основы и токопроводящего материала, либо диффузионный слой с внешней прослойкой из токопроводящего материала. В качестве токопроводящего материала используют цирконий (преимущественно для обработки поверхности изделий из титановых сплавов), титан (преимущественно для обработки поверхности изделий из никелевых сплавов), хром (преимущественно для обработки поверхности изделий из конструкционных сталей) или сплавы на их основе.

Таким образом, на первой стадии процесса в поверхностном слое металлического изделия формируется модифицированный (диффузионный) слой или диффузионный слой с внешней прослойкой из токопроводящего материала, обладающие высокой коррозионной стойкостью в условиях солевой коррозии.

После завершения первой стадии обработки поверхности металлического изделия в плазме токопроводящего материала в зону обработки подают реакционный газ. На второй стадии проводят процесс накопления и диффузии на поверхности металлического изделия ионов плазмы токопроводящего материала в среде реакционного газа или смеси газов при давлении 0,1-0,66 Па и при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне 150-500 В ( ₂). При этом на поверхности изделия имеет место осаждение соединений на основе токопроводящего материала (нитридов, карбидов, карбонитридов, оксикарбонитридов), обладающих высокой микротвердостью (20-45 ГПа) и высокой эрозионной стойкостью в пылевоздушном потоке, высокой жаростойкостью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Причем время первой и второй стадий обработки поверхности металлического изделия выбирают из соотношения 1:(2-7), что обеспечивает получение на второй стадии процесса эрозионно-стойких слоев толщиной 10-30 мкм.

В целом на поверхности изделия формируется система покрытий, состоящая из диффузионного коррозионного слоя или диффузионного коррозионного слоя с прослойкой из токопроводящего материала и внешнего эрозионно-стойкого покрытия на основе соединений токопроводящего материала с реакционным газом. Для получения системы покрытий с низким уровнем остаточных напряжений в процессе второй стадии обработки поверхности металлического изделия один или несколько раз прерывают подачу реакционного газа на время, равное 0,02-0,12 от продолжительности второй стадии. Это обеспечивает получение в поверхностном слое изделия остаточных напряжений на уровне 0,8-1,5 ГПа благодаря образованию в твердом поверхностном слое пластичных прослоек из токопроводящего материала и в целом высокий уровень усталостной прочности изделия. Использование в качестве реакционного газа азота или ацетилена или смеси азота с ацетиленом при соотношении (9-1):1 и давлении 0,1-0,66 Па или смеси из азота, ацетилена и кислорода при соотношении (8-1):(8-1):1 и давлении 0,1-0,66 Па способствует для каждого конкретного случая обработки поверхности на второй стадии процесса формированию на модифицированной поверхности изделия соединения токопроводящего материала с реакционным газом, обладающего максимальной эрозионной стойкостью в пылевоздушном потоке.

Таким образом, двухстадийная обработка поверхности металлического изделия в плазме токопроводящего материала обеспечивает формирование на поверхности изделия системы покрытий (внутреннего модифицированного и внешнего твердого эрозионно-стойкого слоя), обладающей высокими значениями эрозионной стойкости при сохранении жаростойкости, стойкости к солевой коррозии и высокой усталостной прочности.

Примеры осуществления

Примеры 1-3. Для обработки поверхности изделия, например рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава ВТ8М1 и образцов из этого же сплава, проводили удаление загрязнений и обезжиривание поверхности лопатки и образцов, после этого размещали в зоне обработки лопатку, образцы и токопроводящий материал, создавали в зоне обработки вакуум при давлении Р 10^-2 Па. В качестве токопроводящего материала использовали цирконий или сплав на его основе. Затем подавали отрицательный потенциал на токопроводящий материал ₁=-(30-90) В и отдельно на лопатку и образцы ₂=-(250-500) В, после чего одним из известных способов, например путем разрыва токового контакта на токопроводящем материале, возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах токопроводящего материала с образованием плазмы, и начинали процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала для очистки и ионного нагрева поверхности обрабатываемых изделий при ₂=-500 В и токе вакуумной дуги 250 А. Процесс очистки поверхности обрабатываемых изделий и их нагрев до температуры 500°С длился 3 минуты, после чего проводили диффузию и накопление в поверхности обрабатываемых изделий ионов токопроводящего материала в течение 15 минут при ₂=-300 В и токе вакуумной дуги 300 А при температуре поверхности изделия 480-500°С. Затем в плазму токопроводящего материала подавали реакционный газ (азот) и проводили накопление и диффузию токопроводящего материала на поверхности изделия путем его преимущественного осаждения в среде реакционного газа (азота) при давлении 0,4 Па, причем время первой и второй стадий обработки поверхности металлического изделия выбирали из соотношений 1:2, 1:4, 1:7 и в процессе второй стадии обработки металлического изделия один или два раза прерывали подачу реакционного газа на время, равное 0,02, 0,07, 0,12 от продолжительности второй стадии процесса.

Глубину модифицированного слоя определяли металлографическим анализом по микрошлифам, изготовленным из образцов титанового сплава ВТ8М-1. Испытания образцов на жаростойкость проводили при температуре 600°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 600°С. В каждом цикле испытаний образцы выдерживали в печи на воздухе при Т=600°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. Испытания на эрозию проводились по методике сравнительных испытаний. В качестве эрозионной среды использовали кварцевый песок Люберецкого карьера со средним размером частиц ˜300 мкм. Скорость частиц в потоке составляла ˜20 м/с. Экспозиции подвергалась одна сторона плоского образца размером 25×25 мм. Эрозионный унос материала в процессе испытаний определялся гравиметрическим методом при двух различных ориентациях плоскости образца относительно оси набегающего потока (угол атаки ); =70° (обтекание, близкое к лобовому удару) и =20° (касательное обтекание).

Примеры 4-6. Пример аналогичен примеру 1-3, но в качестве изделия использовали изделие, выполненное из конструкционной стали (ЭП866), а в качестве токопроводящего материала использовали хром, а реакционного газа - ацетилен.

Примеры 7-9. Пример аналогичен примеру 1-3, но в качестве токопроводящего материала использовали титан, в качестве изделия использовали изделие из сплава на основе никеля, а в качестве реакционного газа использовали азот.

Примеры 10. Пример аналогичен примеру 1-3, но в качестве реакционного газа использовали смесь азота с ацетиленом.

Примеры 11. Пример аналогичен примеру 1-3, но в качестве реакционного газа использовали смесь трех газов: азота, ацетилена, кислорода.

Примеры 12-13. Прототип. Для обработки поверхности изделия из титанового сплава ВТ8М-1 и конструкционной стали ЭП866 проводили 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 - 7,5

Cr - 10

Y - 0,3

Ni - остальное.

Затем подавали отрицательный потенциал на сплав на основе никеля ₂=-(30-90) В и отдельно на лопатку и образцы ₂=-500 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=-500 В и токе вакуумной дуги 250 А. Процесс очистки поверхности обрабатываемых изделий и их нагрев до температуры 500°С длился 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 поверхности изделия путем его преимущественного осаждения при отрицательном потенциале на изделиях ₂=0 В, что соответствует толщине слоя на поверхности изделия 5-6 мкм.

№ п/п	Токопроводящий материал	Толщина внешнего слоя, мкм	Время прерывания, доля	Отношение времени стадий/кол-во прерываний	Жаростойкость	Коррозия	Эрозия
					Время до появления дефектов, ч	Число циклов до образования дефектов на 10% поверхности	Относительная эрозионная стойкость*
							20°	70°
1	ВТ8М-1+Zr++ZrN	10	0,02	1:2/1	>100	>10	0,34	0,55
2	ВТ8М-1+Zr ++ZrN	15	0,07	1:4/1	>100	>10	0,22	0,36
3	ВТ8М-1+Zr ++ZrN	20	0,12	1:7/2	>100	>10	0,07	0,11
4	ЭП866+Cr ++Cr3C2	10	0,02	1:2/1	>100	>10	0,41	0,59
5	ЭП866+Cr ++Cr3C2	15	0,07	1:4,5/1	>100	>10	0,25	0,40
6	ЭП866+Cr ++Cr3C2	20	0,12	1:7/2	>100	>10	0,09	0,15
7	Никелевый сплав + Ti + + TiN	10	0,02	1:2/1	>100	>10	0,41	0,58
8	Никелевый сплав + Ti+ + TiN	15	0,07	1:4/1	>100	>10	0,27	0,35
9	Никелевый сплав + Ti+ + TiN	20	0,12	1:7/2	>100	>10	0,08	0,12
10	ВТ8М-1+Zr++ZrNC(90%-N2 -10%C2)	20	0,1	1:7/2	>100	>10	0,09	0,20
11	BT8M-1+Zr ++ZrNCO(80%-N2-10%C 2-10%O2)	20	0,1	1:7/2	>100	>10	0,13	0,19
12	BT8M-1+Ni-7,5%Al-10%Cr-0,3%Y+ - прототип	-	-	-	>200	>10	2,5	>10
13	ЭП866+Ni-7,5%Al-10%Cr-0,3%Y + - прототип	-	-	-	>200	10	>6	>10
* - за единицу принята относительная эрозионная стойкость металлического изделия

Двухстадийная обработка поверхности металлического изделия, выполненного из титана или сплава на его основе, стали, сплава на основе никеля соответственно в плазме токопроводящих материалов, выполненных из циркония, или титана, или хрома, или сплавов на их основе, приводит по сравнению с прототипом (изделия из сплава ВТ8М1, обработанные в плазме сплава системы Ni-Al-Cr-Y) к многократному повышению эрозионной стойкости при сохранении жаростойкости и коррозионной стойкости. Эрозионная стойкость существенно зависит от толщины внешнего слоя, полученного в среде реакционного газа или смеси газов, которая подбиралась из соотношения времени первой и второй стадий. Так, с увеличением толщины внешнего слоя увеличивается эрозионная стойкость системы металлическое изделие-покрытие. Такой эффект наблюдался вне зависимости от того, из какого материала выполнены металлическое изделие и токопроводящий материал. Также решающим фактором являлось количество прерываний подачи реакционного газа в течение второй стадии, которое обеспечило релаксацию внутренний и остаточных напряжений за счет формирования прослоек из токопроводящего материала. В свою очередь использование в качестве реакционного газа смеси газов азота с аргоном, азота с ацетиленом или смеси азота с ацетиленом и кислородом также приводит к значительному увеличению эрозионной стойкости при сохранении жаростойкости и коррозионной стойкости, однако количество и время прерываний оказывает решающее влияние на уровень остаточных напряжений, что может оказывать влияние на служебные свойства.

Применение предлагаемого способа позволит увеличить в два раза ресурс лопаток компрессора газотурбинного двигателя во всеклиматических условиях эксплуатации.

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