СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА
METHOD OF PROCESSING SURFACE OF ARTICLE MADE FROM TITANIUM ALLOY

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки поверхности титановых изделий, таких как лопатки компрессора газотурбинных двигателей и установок, с целью повышения их служебных характеристик.
Способ нанесения покрытия на поверхность металлического изделия путем бомбардировки ее ионами металлической плазмы широко известен в науке и технике. Способ включает предварительную подготовку поверхности, размещение изделия в вакуумной камере, генерацию в вакуумной камере плазмы материала модификатора одним из известных методов, 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 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 изделия, а соответственно и низкая скорость обработки поверхности изделия, что ограничивает его применение в машиностроении.
Известен способ нанесения жаростойкого покрытия для защиты изделий из титановых сплавов, который включает нанесение магнетронным распылением первого слоя покрытия из алюминия, второго слоя из оксида алюминия и третьего слоя из сплава на основе системы NiCoCrAlY. Способ обеспечивает защиту деталей из титанового сплава от окисления (Заявка КНР №101310970).
Недостатком известного способ является большая длительность технологического процесса нанесения покрытия (более 8 часов), а также большая толщина покрытия (36 мкм).
Известен также способ нанесения жаростойкого покрытия плазменным напылением при низком давления (LPPS), включающий нанесение покрытия системы Ti-Cr-Al, с образованием барьерного слоя γ(TiAl)+TiCrAl (фаза Лавеса). По заявлению авторов изобретения покрытие и барьерный слой позволяют защитить титановую основу от окисления (Патент США №5837387).
Недостатком известного способа является сложность технологии, высокая трудоемкость формирования покрытий и большая толщина покрытия, что ухудшает механические свойства покрываемых деталей. Недостатком известных способов также является недостаточная коррозионная стойкость покрытий.
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, 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, где 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 (Патент РФ №2308537).
Недостатками способа-прототипа являются низкие жаростойкость и коррозионная стойкость покрытия при температуре 650°C.
Технической задачей изобретения является разработка способа обработки поверхности изделия из титанового сплава, обеспечивающего повышение жаростойкости и коррозионной стойкости изделия из титанового сплава при рабочей температуре до 650°C.
Для достижения поставленной задачи разработан способ обработки поверхности изделия из титанового сплава, 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 отрицательном потенциале на изделии в среде реакционного газа с образованием покрытия, отличающийся тем, что в зоне обработки размещают одновременно два токопроводящих материала - первый из титана и второй из сплава на основе никеля, накопление и диффузию ионов первого токопроводящего материала - титана на поверхности изделия проводят при отрицательном потенциале на изделии 120-200 В в среде реакционного газа, состоящей из смеси кислорода и аргона в пропорции (1-2):1 при давлении 0,05-0,3 Па, после чего осуществляют прекращение подачи реакционного газа, возбуждают на втором токопроводящем материале-сплаве на основе никеля вакуумную дугу и проводят накопление ионов второго токопроводящего материала на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии 15-20 В.
В качестве сплава на основе никеля используют сплав следующего состава, мас.%:
Хром - 5÷25
Алюминий - 5÷12,5
Кобальт - 4÷22
Иттрий - 0,1÷0,6
Никель - основа.
Установлено, что при нанесении покрытия в плазме титана в среде реакционного газа из смеси кислорода с аргоном на поверхности изделия образуется барьерный слой из оксида титана, препятствующий проникновению кислорода в титановый сплав изделия, что защищает сплав от насыщения кислородом. Внешний слой из сплава на основе никеля разделяется от титанового сплава барьерным слоем из оксида титана, что обеспечивает жаростойкость системы «основа(титановый сплав)-покрытие».
Пример осуществления
1
2
3
2
2
Пример 1. Для нанесения покрытия на поверхность рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава ВТ41 проводили предварительную подготовку поверхности изделий (удаление загрязнений и обезжиривание). Нанесение покрытия на поверхность металлического изделия проводили на промышленной ионно-плазменной установке МАП-3 с компьютерной системой управления технологическим процессом, имеющей газоразрядный источник ионов аргона ЕхН типа с током до 200 мА и напряжением до 3 кВ, вакуумно-дуговой генератор плазмы токопроводящего материала с током до 750 А и с возможностью последовательного испарения до 3 токопроводящих материалов, 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 900 В, газоразрядный ионный ускоритель с током до 40 мА и напряжением до 40 кВ, а также планетарный привод вращения на 24 позиции для размещения обрабатываемых изделий. Затем размещали в зоне обработки изделие, токопроводящий материал - титан (ВТ1-0), второй токопроводящий материал из сплава на основе никеля, содержащего 25% Cr, 22% Со, 12,5% Al и 0,6% Y 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 2 кВ. После завершения процесса газоразрядный источник ионов аргона удаляли из зоны обработки изделия и подавали отрицательный потенциал на токопроводящий материал φ=-(80-100) В и отдельно на лопатку φ=-(300) В. После чего одним из известных способов, например путем разрыва токового контакта, на токопроводящем материале ВТ1-0 возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого материала с образованием плазмы токопроводящего материала. Процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала очистки и ионного нагрева поверхности изделия проводили при φ=-300 В и токе вакуумной дуги 600 А. Процесс очистки поверхности изделия и ее термоактивации длился ~3 минуты. После проводили накопление и диффузию ионов токопроводящего материала ВТ1-0 на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии φ=-120 В в атмосфере смеси реакционных газов кислорода и аргона в пропорции 2/1 при давлении 0,05 Па и температуре поверхности изделия 500-520°C, что ниже температуры ее разупрочнения на 100°C. Затем, после нанесении покрытия из титана ВТ1-0 в среде реакционного газа, отключали вакуумную дугу на токопроводящем материале, отключали подачу реакционного газа и возбуждали вакуумную дугу на втором токопроводящем материале из сплава на основе никеля и наносили покрытие из этого сплава при отрицательном потенциале на изделии φ=-(15-20) В.
2
Пример 2. Пример 2 отличается от примера 1 тем, что в качестве второго токопроводящего материала использовали сплав на основе никеля, содержащий 15% Cr, 13% Со, 8,8% Al и 0,33% Y, а также тем, что накопление и диффузию ионов токопроводящего материала ВТ1-0 на поверхности изделия проводили при отрицательном потенциале на изделии φ=-160 В в атмосфере смеси реакционных газов кислорода и аргона в пропорции 1,5/1 при давлении 0,17 Па при температуре поверхности изделия 560-570°С.
2
Пример 3. Пример 3 отличается от примера 1 тем, что в качестве второго токопроводящего материала использовали сплав на основе никеля, содержащий 5% Cr, 4% Со, 5% Al и 0,1% Y, а также тем, что накопление и диффузию ионов токопроводящего материала ВТ1-0 на поверхности изделия проводили при отрицательном потенциале на изделии φ=-200 В в атмосфере смеси реакционных газов кислорода и аргона в пропорции 1/1 при давлении 0,3 Па при температуре поверхности изделия 610-620°С.
По способу-прототипу покрытие наносили на изделие из титанового сплава ВТ41.
Полученные образцы и лопатки подвергались следующим исследованиям и испытаниям:
- на коррозионную стойкость по методике ускоренных испытаний, включающей выдержку в спокойной атмосфере печи при температуре 650°C в течение 1 ч; охлаждение в 3% р-ре NaCl и выдержку в эксикаторе в течение 22 ч.
уд
2
- на жаростойкость в спокойной атмосфере печи при температуре 650°С в течение 100 ч определяли удельный привес (Δm, г/м) после проведения испытаний и сравнивали внешний вид образцов. Полученные результаты сведены в таблицу.
Таблица
№, №
Токопроводящий материал/соотношение газа, потенциал
Состав покрытия из никелевого сплава
Жаростойкость 100 ч, г/м<sup>2</sup> при t=650°C
Коррозионная стойкость при t=650°C, циклы до появления точек коррозии
1
Ti/2:1/120 В
Ni - 25% Cr - 22% Со - 12,5% Al - 0,6% Y
1,35
15
2
Ti/1,5:1/160 В
Ni - 15% Cr - 13% Со - 8,8% Al - 0,33% Y
1,5
15
3
Ti/1:1/200 В
Ni - 5% Cr - 5% Al - 4% Co 0,1% Y
1,7
12
4
Прототип Zr
-
2,9
7
Как видно из таблицы, нанесение предлагаемым способом покрытия на титановый сплав ВТ41 приводит, по сравнению с прототипом, к повышению жаростойкости и стойкости к солевой коррозии в ~2 раза.
Таким образом, применение предлагаемого способа в промышленности для нанесения покрытия на поверхность титановых лопаток компрессора газотурбинных двигателей и установок повышает их надежность и ресурс.