способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов

Формула изобретения

1. Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов, включающий электроискровое легирование поверхностного слоя, отличающийся тем, что электроискровое легирование проводят нитридообразующими элементами или сплавами на их основе, затем осуществляют термическое оксидирование в окислительной воздушной среде при температуре 600-800°С в течение 2-16 ч или диффузионное азотирование, которое проводят в каталитически приготовленных газовых аммиачных средах при температуре 500-680°С и времени выдержки 15-40 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нитридообразующих сплавов используют лигатуру ВХМА.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам упрочнения и модификации поверхности и может быть использовано для повышения стойкости деталей из титановых сплавов, работающих в коррозионно-активных средах с наличием абразивных частиц и высоких скоростях потока агрессивного раствора (детали скрубберов и эмульгаторов, крыльчатки насосов, лопасти паровых турбин и др.).

Известен способ повышения коррозионной стойкости изделий из Ti-сплавов путем нанесения покрытий методом электроискрового легирования (ЭИЛ). Способ основан на эффекте переноса материала электрода при искровом электрическом разряде. В качестве электродов, как правило, используют чистые металлы или их сплавы на основе Pd, Pt, Cr, Mo, Ni, А1 и др. (Томашов Н.Д. Титан и коррозионностойкие сплавы на его основе. М.: Металлургия. 1985) - прототип.

Коррозионная стойкость поверхности может быть повышена путем ЭИЛ элементами Pd, Ru, Та, которые достаточно дороги и обладают слабой сопротивляемостью эрозии.

Коррозионная стойкость повышается за счет ЭИЛ поверхности Mo, Al, Zr, Gr, А1 и их сплавами, повышающими электрохимический потенциал и расширяющими пассивную область титана. Прочность и твердость повышается вследствие твердорастворного упрочнения при легировании титана молибденом и другими элементами. В упрочнении участвуют и дисперсионный механизм упрочнения вследствие образования в слое дисперсных оксинитридных фаз и алюминидов титана. Такая структура обеспечивает повышение твердости и прочности легированного слоя при наличии высокой плотности дислокаций. Твердость у сплавов ВТ1-0 и ВТ6 после ЭИЛ составляет 8500 и 10700 МПа по сравнению с исходной 1800 и 3400 МПа соответственно. Такая структура и свойства обеспечивают повышенную эрозионную стойкость сплавов, т.е. повышенную стойкость к эрозии при микрорезании или микроцарапании абразивными частицами.

Однако такие покрытия не обеспечивают коррозионную и эрозионную стойкость в сильно агрессивных средах. Это связано с наличием в поверхностном легированном слое несплошностей, пор и микротрещин, через которые проникают ионы коррозионной среды скоростного потока и абразивные частицы, которые интенсифицируют разрушение.

Известен способ термического оксидирования титановых сплавов, заключающийся в нагреве изделий в окислительной среде при 650-750°С и выдержке 5-15 ч. При этом на поверхности образуется плотная окисная пленка из рутила TiO ₂ с достаточной коррозионной стойкостью в некоторых средах, но не обеспечивающей высокой коррозионно-эрозионной стойкости в агрессивных средах с высокими скоростями потока и большой концентрацией абразивных частиц. (Горынин И.В., Чечулин Б.В. Титан в машиностроении. М.: Машиностроение. 1990.)

Известен способ газового азотирования титановых сплавов, приводящий к получению на поверхности нитридов титана высокой твердости и износостойкости. Процесс проводят в основном при 700-900°С в аммиачной среде. Повышенные температуры процесса приводят к росту зерна в изделии, диффузии водорода и уменьшению характеристик пластичности и вязкости. Тонкие изделия, например лопасти центробежных насосов, получают значительные коробления. (Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник под редакцией Ляховича Л.С. М.: Металлургия, 1981, 424 с.)

Известна комбинированная технология за счет ЭИЛ и ионного азотирования [Тарельник В.Б. Комбинированные технологии электроэрозионного легирования. Киiв: Технiка, 1997, 122 с.].

Данная технология предназначена для легированной стали после ЭИЛ электродами из вольфрама и твердого сплава для устранения зоны пониженной твердости и прочности, возникающей в закаленной стали после ЭИЛ. У титана такой зоны с пониженной твердостью и прочностью под покрытием не возникает. Электроды из вольфрама и твердого сплава Т15К6 приводят к повышению стойкости титана при сухом трении, но коррозионную и коррозионно-эрозионную стойкость практически не повышают (табл.1).

Сущность изобретения - повышение работоспособности деталей из титановых сплавов при воздействии коррозионно-эрозионного потока жидкости или газовых потоков.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является:

- создание в поверхности структурного состояния, обеспечивающего повышенное сопротивление коррозионно-эрозионному воздействию агрессивных сред;

- увеличение срока службы оборудования, работающего в таких условиях.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе модификации поверхности изделий из титановых сплавов, включающем электроискровое легирование поверхностного слоя, при этом электроискровое легирование проводят нитридообразующими элементами или сплавами на их основе, затем осуществляют термическое оксидирование в окислительной воздушной среде при температуре 600-800°С в течение 2-16 часов или диффузионное азотирование, которое проводят в каталитически приготовленных газовых аммиачных средах при температуре 500-680°С и времени выдержки 15-40 часов.

В частности, в качестве нитридообразующих сплавов используется лигатура ВХМА.

При ЭИЛ на поверхности изделия образуется слой, состоящий из многокомпонентного высоколегированного сплава, который включает нитридообразующие элементы. Однако только ЭИЛ не обеспечивает повышенной коррозионно-эрозионной стойкости из-за наличия пор и микротрещин. Она достигается после термического оксидирования, когда выдержка при 600-800°С приводит к окислению поверхности покрытия и его дефектов. Трещины, поры, несплошности заполняются сложной шпинелью на основе Ti, Mo, Gr, А1. Такая шпинель по сравнению с рутилом TiO₂ (HV 9000-10000 МПа) более легирована, имеет более сложное строение и имеет более высокую твердость и хорошее сопротивление механическому воздействию абразивных частиц. Этому способствуют сжимающие напряжения в поверхности, возникающие из-за расклинивающего действия окислов, образующихся в порах и трещинах. Подобное происходит и при газовом азотировании.

Оптимальная температура азотирования составляет 500-680°С. Повышение температуры более 680°С способствует уменьшению прочности основы титановых сплавов, а понижение температуры менее 500°С приводит к повышению хрупкости нитридных слоев в поверхности и уменьшению производительности. Интервалы времени проведения азотирования (15-40 часов) подбираются опытным путем и зависят от температуры процесса.

Термическое оксидирование при повышении температуры свыше 800°С способствует возникновению дефектов в окисном слое (поры), а при понижении температуры оксидирования ниже 600°С происходит уменьшение производительности процесса. Интервалы времени проведения оксидирования (2-16 часов) подбираются опытным путем и зависят от температуры процесса.

Сущность изобретения поясняется на примере.

Пример.

Электроискровому легированию подвергался технический титан ВТ1-0 электродами из Mo, Ni, Gr и интерметаллида -TiAl (36% А1), лигатур АМВТ (36Mo-32V-16Ti-16Al), ВХМА (35V-37Gr-20Mo-8А1). Эти элементы и составляющие лигатур хорошо растворяются в титане или образуют с ним интерметаллиды. Коэффициент переноса при легировании составляет 60-70%. Глубина слоя при скорости нанесения 2 см²/мин составляет 40-60 мкм. ЭИЛ осуществлялось на установке "Элитрон-22" по общепринятым режимам нанесения.

Термическое оксидирование проводили при 700°С в течение 8 часов. Азотирование проводили при температуре 650°С в течение 18 часов в каталитически приготовленных газовых аммиачных средах.

Температура оксидирования (700°С) и азотирования (650°С) не приводит к сильному снижению прочности и твердости нанесенного слоя. Это связано также с тем, что при этих температурах в слое наплавленного металла происходят процессы старения. Высокая температура и скорости охлаждения при ЭИЛ способствуют образованию метастабильных структур на основе -фазы. При старении происходит распад метастабильной фазы с выделением дисперсных фаз и частиц интерметаллидов и оксинитридов.

Каталитическое азотирование позволяет получать нитридные покрытия на титане при меньшей температуре без разупрочнения основного металла, при этом глубина покрытия увеличивается, твердость достигает до 13000 МПа.

Коррозионная стойкость исследовалась в растворе 0,05%HF+0,25%HCl+0,25% H₂SO ₄ в течение 100-200 часов при 20°С и 100°С.Данный раствор имитирует агрессивную среду, возникающую в аппаратах по «мокрой» очистке дымовых газов при сжигании экибастузских углей с повышенным содержанием ионов F^- и SO^-2 ₄. Одновременно коррозионная стойкость исследовалась в растворе рН='1 (0,57 НС1) имитирующих работу центробежных насосов в критических условиях при улавливании хлора при перекачке «известкового молока». Коррозионно-эрозионная стойкость исследовалась на лабораторной опытной установке, где эрозионное воздействие потока раствора создавалось крыльчаткой от электрического двигателя на образцы с углом атаки 40° и концентрацией абразивных частиц (кварцевого песка) 60-300 г/литр.

В таблице 1 приведены данные по коррозионной и коррозионно-эрозионной стойкости различных вариантов покрытий и их сочетаний на ВТ1-0.

Электроискровое легирование поверхности технического титана электродами из лигатуры ВХМА (35V-37Cr-20Mo-8Al) (ТУ 1741-030) с последующим оксидированием и особенно азотированием дает наилучшие результаты по коррозионной стойкости и стойкости к эрозии по сравнению с вышеприведенными лигатурами, сплавами, чистыми металлами. Это связано с наличием нитридообразующих элементов оптимального состава по химическому составу и свойствам. При этом после ЭИЛ и оксидирования в данных растворах больше повышается коррозионная стойкость, а после ЭИЛ и азотирования - коррозионно-эрозионная стойкость.

Таблица

Предлагаемый способ покрытия, полученный методом ЭИЛ нитридообразующими элементами, обеспечивает необходимую структуру, состав и свойства поверхностного слоя, обеспечивающие эрозионную стойкость поверхности, а последующее оксидирование или азотирование образуют достаточно развитые слои из химически и механически стойких оксидов или нитридов, которые способствуют залечиванию дефектов поверхности типа пор и трещин и обеспечивают повышенное сопротивление поверхности коррозии и эрозии.