СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОГО И ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛЯХ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ИЛИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
INGREDIENTS TO PRODUCE CORROSION-RESISTANT AND HEAT-RESISTANT COATINGS ON PARTS OF STRUCTURAL STEELS AND HEAT-RESISTANT ALLOYS BASED ON NICKEL

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей из конструкционных сталей, а также никелевых сплавов от солевой коррозии.
Известен состав для получения коррозионно-стойкого покрытия, состоящего из первого слоя ионно-плазменного конденсированного покрытия из сплава на основе никеля, содержащего хром, кобальт, алюминий, иттрий, и второго слоя из сплава на основе алюминия (патент РФ №2165475).
Известный состав позволяет получать на лопатках компрессора и других деталях машин покрытие, стойкое к солевой коррозии при температурах до 700°С, не снижающее прочностные характеристики этих деталей.
Недостатком известного состава является ограничение его использования для крупногабаритных деталей, таких как вал турбины двигателя, из высокопрочных конструкционных сталей.
Известен состав для получения противопригарного жаростойкого покрытия, включающий ингредиенты при следующем их соотношении, мас.%:
Черный графит
15-25
Нефелиновый антипирен
5-15
Алюмохромфосфатное связующее
35-48
Глицерин
1-3
Кремнийорганическая эмульсия
0,5-1,5
Вода
остальное
(Авторское свидетельство СССР №1212686)
Состав позволяет получать на литейных формах и стержнях противопригарное покрытие, повысить качество отливок и исключить брак по пригарам и газовым раковинам.
Недостатком известного состава является низкая стойкость получаемого покрытия к солевой коррозии.
Известен также состав для нанесения покрытия на литейные формы и стержни, включающий ингредиенты при следующем их соотношении, мас.%:
Алюмохромфосфатное связующее
10,0-15,0
Вода
30,0-40.0
Серная кислота
0,6-1,0
Высокоглиноземистый цемент
0,5-2,0
Пылевидный кварц
остальное
(Авторское свидетельство СССР №1507507)
Состав обладает высокими технологическими свойствами: легкостью нанесения, хорошей впитываемостью в поверхность, а покрытие - повышенной трещиноустойчивостью.
Недостатком известного состава является неудовлетворительная и низкая коррозионная стойкость покрытия к солевой коррозии.
Известны также алюминидные антикоррозионные покрытия толщиной до 50 мкм, полученные путем осаждения из газовой фазы (МО CVD) при температуре >700°С, которые обеспечивают высокую коррозионную стойкость (патент США №6921251).
Недостатком этих покрытий является то, что технологический процесс насыщения поверхности проводят при температуре, значительно превышающей температуру отпуска сталей, что негативно влияет на их прочностные свойства.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является состав для получения покрытия на деталях, изготовленных из конструкционных сталей или из жаропрочных сплавов на основе никеля или титана, включающий ингредиенты при следующем соотношении, мас.%:
Алюмохромфосфатное связующее
30,0-35,0
Вода
12,0-18,0
Хромовый ангидрид
2,0-3,0
Дисилицид молибдена
остальное
(Патент РФ №2349681)
Состав позволяет получать покрытия на деталях машин с рабочей температурой до 600°С, изготовленных из конструкционных сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля и титана и работающих в условиях сухого трения при контактном износе и фреттинг-коррозии.
Недостатком известного состава является недостаточно высокая стойкость покрытия к солевой коррозии и жаростойкости при длительной эксплуатации, свыше 2000-3000 ч.
Технической задачей настоящего изобретения является создание состава для получения коррозионно-стойкого и жаростойкого покрытия на деталях из конструкционных сталей или жаропрочных сплавов на основе никеля и работающих длительно при температуре до (450-500)°С в условиях солевой коррозии.
Это достигается тем, что состав для получения коррозионно-стойкого и жаростойкого покрытия на деталях из конструкционных сталей или жаропрочных сплавов на основе никеля, содержащий алюмохромфосфатное связующее, наполнитель, воду и хромовый ангидрид, при этом состав в качестве наполнителя содержит порошки гидрата окиси алюминия, алюминий-кремния, алюминия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Алюмохромфосфатное связующее (АХФС)
30-35
Вода
12-18
Хромовый ангидрид
2-3
Порошок гидрата окиси алюминия
1-3
Порошок алюминий-кремния
10-22
Порошок алюминия
остальное
Порошки гидрата окиси алюминия, алюминий-кремния, алюминия, имеют фракцию до 10 мкм.
Авторами установлено, что использование в составе на основе алюмохромфосфатного связующего, воды, хромового ангидрида, порошков гидрата окиси алюминия, алюминий-кремния, алюминия, в предлагаемом количественном соотношении, обеспечивает высокую жаростойкость и стойкость покрытия на деталях из сталей и жаропрочных сплавов к солевой коррозии. Причем стойкость к солевой коррозии практически не уступает стойкости всех известных покрытий, а жаростойкость в 2-3 раза превышает известные покрытия.
Наличие в составе порошка гидрата окиси алюминия в количестве 1-3% для получения покрытия не снижает жаростойкость покрытия и стойкость его к солевой коррозии, однако позволяет снизить температуру термообработки покрытия на 30-50°С, что важно для конструкционных сталей с низкой температурой отпуска. Жаростойкость покрытия на основе предлагаемого состава связана с содержанием в составе порошков гидрата окиси алюминия, алюминий-кремния (порошок из сплава алюминия с кремнием), что в совокупности со связующим на основе алюмохромфосфата (АХФС) обеспечивает высокую жаростойкость и коррозионную стойкость, а также исключает негативное влияние покрытия на механические свойства (усталостную прочность) подложки.
Высокая стойкость покрытия на основе предлагаемого состава к солевой коррозии свойственна покрытиям, содержащим АХФС, и эта стойкость повышается при наличии в составе хромового ангидрида и кремния, содержащегося в порошке алюминий-кремний.
Фракция порошков до 10 мкм обеспечивает нанесение покрытия толщиной 20-40 мкм.
Примеры осуществления
Для приготовления состава использовали следующие ингредиенты:
Алюмохромфосфатное связующее (АХФС), ТУ 6-18-166-83;
Дистиллированная вода, ГОСТ 6709;
3
Хромовый ангидрид (СrО), ЧДА, ГОСТ 3776-78;
3
Порошок гидрата окиси алюминия (Аl(ОН) ТУ 6-09-3714-74
Порошок алюминий-кремния (Al-Si) ТУ 48-0106-66-88
Порошок алюминия (Аl) ТУ-48-5-226-82
3
Порядок приготовления состава следующий: навеску алюмохромфосфатного связующего разбавляли водой, затем вводили хромовый ангидрид и тщательно перемешивали водный раствор АХФС до полного его растворения. Затем в полученный водный раствор добавляли порошки Аl(ОН), Al-Si (порошок из сплава Al-Si), Аl, предварительно размолотые до 5-10 мкм, и тщательно перемешивали. В таком виде состав готов для нанесения покрытия на детали машин. Составы приготовленных покрытий приведены в таблице 1.
Таблица 1
Состав покрытия
Содержание ингредиентов, мас.% в составе
АХФС
Н<sub>2</sub>O
СrО<sub>3</sub>
порошок Аl(ОН)<sub>3</sub>
порошок Al-Si
порошок Аl
MoSi<sub>2</sub>
1
30
12
2
1
10
45
-
2
32,5
15
2,5
2
15
33
-
3
35
18
3
3
22
19
-
Прототип
33
15
2,5
-
-
-
49,5
Образцы стали ВКС-170 подготовили к нанесению покрытия. Поверхность образцов подвергли пескоструйной обработке и последующей обдувке сжатым воздухом, очищенным от влаги и масла.
Покрытие толщиной 20-40 мкм нанесли одним или двумя слоями на образцы кистью или краскораспылителем, сушку первого слоя покрытия провели на воздухе, затем нанесли второй слой покрытия, после чего осуществили сушку и термообработку образцов с покрытием.
Коррозионную стойкость образцов с покрытием исследовали по методике ускоренных циклических испытаний на образцах 20×30×1,5 мм по режиму: нагрев до температуры 450°С и выдержка 1 ч, подстуживание на воздухе 2 минуты, охлаждение в 3% растворе NaCl, выдержка в течение 22-24 часов во влажной камере. Отметим, что удовлетворительной коррозионной стойкостью считается 10 циклов испытаний без коррозионного повреждения. Условия испытаний для всех образцов были одинаковыми, полученные результаты сведены в таблице 2
Таблица 2
Вид образца
Число циклов до появления очагов коррозии, цикл
Примечание
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Сталь ВКС-170 без покрытия
2-3
90% поверхности коррозионные повреждения
Сталь ВКС-170 с покрытием
20-21
24-25
22-24
Без коррозионных повреждений
Сплав ЭП-718 с покрытием
19-20
19-20
18-19
Без коррозионных повреждений
Сталь ВКС-170 с покрытием прототипа
11-12
Отдельные точки коррозии, 2% поверхности повреждены
В ходе испытаний на коррозионную стойкость образцов стали ВКС-170 без покрытия на 90% поверхности замечена интенсивная коррозия с образованием ржавчины, которая начала осыпаться после 8-10 циклов испытаний. На образцах стали ВКС-170 и сплава ЭП-718 с покрытием предлагаемого состава поверхность без дефектов, следов коррозии не обнаружено. Покрытие по способу прототипа на основе водного раствора АХФС с дисилицидом молибдена незначительно повышает коррозионную стойкость стали ВКС-170, отдельные очаги точечной коррозии образовались на 11 цикле испытаний. Минимальную стойкость к солевой коррозии при максимальной температуре испытаний 450°С имеет основа (сталь ВКС-170) без покрытия.
Испытания показали, что предлагаемый состав для получения коррозионно-стойкого и жаростойкого покрытия на деталях из конструкционных сталей или жаропрочных сплавов на основе никеля позволяет получать покрытия с высокой коррозионной стойкостью.
Были проведены также испытания образцов с покрытиями на жаростойкость при температуре 450°С. Данные по жаростойкости стали ВКС-170 и сплава ЭП-718 с покрытиями представлены в таблице 3.
Таблица 3
Наименование состава
Изменение удельной массы образца, мг/см<sup>2</sup>
100 ч
300 ч
500 ч
ВКС-170 без покрытия
1,03
2,14
3,15
ВКС-170 покрытие состава 1
0,12
0,17
0,30
ВКС-170 покрытие состава 2
0,106
0,14
0,26
ВКС-170 покрытие состава 3
0,16
0,29
0,38
ЭП 718 с покрытием состава 2
0,08
0,108
0,21
ВКС-170 покрытие-прототип
0,30
0,42
0,59
По результатам испытаний, приведенным в таблице 3, наиболее высокой жаростойкостью обладает покрытие предлагаемого состава, которое обеспечивает длительную защиту деталей из стали ВКС-170 и никелевого сплава ЭП 718 при температуре 450°С, что с учетом высокой коррозионной стойкости повышает ресурс в 1,5-2 раза.
Таким образом, применение предлагаемого состава покрытия на деталях из конструкционных сталей или жаропрочных никелевых сплавов, в том числе и крупногабаритных, обладающего повышенными жаростойкостью и стойкостью к солевой коррозии при температуре до 450-500°С, позволит увеличить ресурс и надежность деталей, длительно работающих в условиях солевой коррозии.