ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА
VACUUM-ARC METHOD OF COATING APPLICATION ON CIRCULATING PUMP IMPELLER

Изобретение относится к нанесению покрытий вакуумным испарением и может быть использовано в энергетическом турбостроении для защиты насосного и компрессорного оборудования от солевой и газовой коррозии, кавитации, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, в частности, для нанесения покрытия на рабочие колеса насосного оборудования парогазовых установок (ПТУ).
Известен способ нанесения покрытия системы Ti-Cr-Al на изделия, характеризующийся тем, что нанесение покрытия производится методом вакуумно-дугового испарения при следующем содержании компонентов покрытия, мас. %: титан 52-56, хром 26-28, алюминий 16-20.
(RU 2013144837, С223С 14/00, опубликовано 27.04.2015).
Недостатком известного способа является отсутствие сведений об условиях и режимах его осуществления, поскольку при формировании известного покрытия большой толщины образуется значительное количество капельной фазы, ухудшающей механические свойства покрываемых деталей, в частности, кавитационную стойкость покрытия.
Известен вакуумно-дуговой способ нанесения PVD-покрытия, включающий очистку изделия, сушку, нагрев изделия, нанесение множества покрытий, содержащих титан, кремний, алюминий, цирконий, хром и бор, и охлаждение, причем известными указаны покрытия толщиной до 20 мкм, содержащие сочетания следующих компонентов: TiAlN, TiAlCN, TiAlSiN, CrAlN, AlCrSiN, TiBN.
(CN 108103505, C23C 14/06, C23C1 6/32, опубликовано 01.06.2018).
Наиболее близким по технической сущности является способ получения многослойного PVD-покрытия, включающего в себя, по меньшей мере, один слой, содержащий Si, В, N и металл, выбранный из группы, включающей Al, Cr и Ti, а также, по меньшей мере, один слой, содержащий Si, В, N, О и, по меньшей мере, один металл, выбранный из группы, включающей Al, Cr и Ti. Толщина слоев составляет 5 нм-50000 нм. Покрытие наносят на изнашиваемую часть турбины, шестерню или поршень. Из описания известен слой, содержащий азот и, по меньшей мере, один элемент из группы: Al, Cr, Mo, Ti, В. Известная последовательность нанесения покрытия включает нагрев изделия до температуры 100-1000°С, ионную очистку, нанесение первого PVD-слоя, состава Al40Cr30 или TiAlSiN с использованием дуговых испарителей - катодов диаметром 100 мм при токах разряда 30-200 А и давлении 1-10 Па.
(ЕР 1783245, С23С 14/14, С23С 14/24, опубликовано 09.05.2007).
Недостатком известных способов, включающих нанесение многослойных покрытий, является сложность их осуществления, а также невозможность исключить образование капельной фазы в каждом из формируемых слоев, что неизбежно отражается на качестве последующего слоя покрытия и приводит к снижению качества конечного покрытия.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение качества покрытий получаемых вакуумно-дуговым способом, в частности, повышение стойкости к газоабразивной и капельно-ударной эрозии, коррозионной стойкости, снижение размера зерен покрытия и коэффициента сухого трения.
-1
Технический результат достигают тем, что вакуумно-дуговой способ нанесения покрытия на рабочее колесо циркуляционного насоса, включает обезжиривание, промывки в холодной и горячей воде, установку колеса в камеру, установку дуговых испарителей, вакуумирование камеры, нагрев, ионную очистку, нанесение покрытия, охлаждение и выгрузку, отличающийся тем, что колесо устанавливают на вращающуюся карусель, устанавливают два дуговых испарителя диаметром 150 мм и толщиной 28 мм под углом 60° к плоскости карусели, перед нанесением покрытия проводят дополнительную обработку поверхности колеса ионами металлов в течение 5-8 мин при температуре 550±10°С в атмосфере аргона при давлении (5±1)⋅10 Па, напряжении смещения 900±10 В и токе дуговых испарителей менее 50 А, а последующее нанесение покрытия проводят при вращении колеса при напряжении смещения 200±10 В и токе дуговых испарителей 102±8 А в течение 55±0,1 мин, причем материал испарителя содержит алюминий, хром, молибден, бор и титан при следующем соотношением компонентов, мас. %: алюминий 14-19, хром 24-26, молибден 4-7, бор 3-5, титан – остальное.
-5
-1
Технический результат также достигают тем, что после вакуумирования камеры до давления (2000±5)⋅10 Па проводят нагрев элементов камеры и колесо до температуры 150-200°С; ионную очистку проводят в течение 20±0,5 мин в атмосфере аргона при давлении на уровне (5±1)⋅10 при напряжении электрического смещения на колесе 900±10 В и напряжение на ионном источнике 1500±10 В; нанесение покрытия проводят при вращении карусели с колесом со скорость 2-3 об/мин; охлаждение колеса с покрытием проводят напуском в камеру азота в течение 40 мин.
Изобретение можно проиллюстрировать следующим примером.
Покрытие наносят на рабочее колесо водяного циркуляционного насоса с лопатками из стали 10Х18Н12М3Л.
Процесс нанесения включает:
- обезжиривание в ультразвуковой ванне;
- промывки в холодной и горячей воде;
- монтаж колеса на карусель вакуумной камеры;
- установку испарителей-катодов, прогрев и откачку вакуумной камеры;
- ионную очистку поверхности колеса;
- дополнительную очистку;
- нанесение покрытия;
- охлаждение и выгрузку.
Обезжиривание поверхности колеса проводят в ультразвуковой ванне с использованием моющего средства, например, «ТОР-ХС» при температуре 55±4°С, в течение 20±1 мин.
Промывки проводят поочередно проточной горячей и холодной водой в ванне в течение 2±0,5 минут. Оптимальные температуры для горячей воды 45-55°С, для холодной воды – 20-35°С.
-5
После сушки для нанесения покрытия колесо устанавливают в вакуумную камеру на вращающуюся карусель и два торцевых дуговых испарителя диаметром 150 мм и толщиной 28 мм под углом 60° к плоскости карусели. Затем камеру вакуумируют до давления (2000±5)⋅10 Па и проводят нагрев элементов камеры, колесо и испарители до температуры 150-200°С.
-1
После этого поверхность колеса подвергают ионной очистке (травлению) в газовом разряде. Для этого устанавливали давление аргона в камере на уровне (5±1)⋅10. Задают напряжение электрического смещения на обрабатываемом колесе 900±10 В. Напряжение на ионном источнике устанавливают 1500±10 В и проводят обработку в течение 20±0,5 мин.
-1
Затем устанавливают температуру в камере 550±10°С, проводят в атмосфере аргона при давлении (5±1)⋅10 дополнительную обработку (бомбардировку) поверхности колеса ионами металлов испарителя в течение 5-8 мин, напряжении смещения 900±10 В и токе дуговых испарителей менее 50 А.
Последующее нанесение покрытия проводят при вращении карусели с колесом со скоростью 2-3 об/мин при напряжении смещения 200±10 В и токе дуговых испарителей 102±8 А в течение 55±0,1 мин.
Для нанесения покрытия используют материал испарителя, содержащий алюминий, хром, молибден, бор и титан при следующем соотношением компонентов, мас. %: алюминий 14-19, хром 24-26, молибден 4-7, бор 3-5, титан – остальное. При этом наиболее оптимальным является использование торцевых испарителей-катодов с температурой поверхности 90-200°С при движении катодного пятна по их поверхности со скоростью более 15 м/с, которое устанавливают тангенциальным к поверхности испарителя магнитным полем более 13,7 мТл с помощью магнитных катушек.
После этого проводят охлаждение колеса с покрытием напуском в камеру азота в течение 40 мин и осуществляют выгрузку готового изделия.
Режимы предварительной обработки поверхности под наносимое покрытие и условия охлаждения изделия с покрытием являются оптимальными и обеспечивают высокое качество сцепления наносимого покрытия с подложкой.
Использование двух дуговых испарителей, их размеры и геометрия размещения, относительно изделия, а также условия и режимы нанесение покрытия, обеспечивают получение более равномерного бездефектного покрытия с более мелким размером зерен и снижают образование капельной фазы, что повышает стойкость покрытия к газоабразивной и капельно-ударной эрозии.
Состав материала испарителей, включающий алюминий, хром, молибден, бор и титан, обеспечивает максимальную адгезию покрытия к материалу подложки из стали, в частности, стали 10Х18Н12М3Л.
Покрытие, полученное способом по изобретению, обеспечивает, в сравнении с известными покрытиями системы Ti-Cr-Al, снижение капельной фазы в покрытии, получение размеров зерен в покрытии менее 50 нм, коэффициент сухого трения в паре с контртелом из WC-Co менее 0,9, увеличивает стойкость к газоабразивной и капельно-ударной эрозии в 1,2 раза и обеспечивает полную защиту изделия от межкристаллитной коррозии в условиях воздействия агрессивно среды.