СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАГНИТОПРОВОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ ТЯГИ
PROCEDURE FOR TREATMENT OF PARTS OF MAGNETIC CONDUCTORS OF ELECTRIC JET-THRUSTERS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к вакуумной термической обработке деталей из магнитомягких сталей и сплавов для магнитных систем электрических реактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ), например, стационарных плазменных двигателей (СПД), двигателей с анодным слоем (ДАС) и технологических источников плазмы, подвергаемых дополнительному упрочнению рабочих поверхностей нанесением газотермических покрытий путем плазменного напыления порошков интерметаллидов и керамик.
Известны стандартизованные схемы плазменного напыления порошков на упрочняемые или восстанавливаемые детали [ГОСТ 28076-89] в различных отраслях машиностроения. Такие технологии плазменного напыления недостаточно эффективны в случаях упрочнения специальных деталей из магнитомягких сталей или сплавов.
Известен способ вакуумного отжига деталей магнитопроводов с одновременным ионно-плазменным напылением тончайшего слоя нитрида титана [Патент РФ №2085597, БИ №21, 1997 г.]. Такой известный способ позволяет получать поверхности с достаточно удовлетворительными оптическими коэффициентами и высокими магнитными характеристиками.
Однако данный способ не обеспечивает достаточно высокую эрозионную стойкость деталей в условиях воздействия на их внешние поверхности ускоренного ионного потока плазмы в течение длительных ресурсов работы ЭРД МТ.
2
3
Известен способ обработки деталей из магнитомягкой стали 10880, принятый за прототип, с плазменным напылением на внешние поверхности AlO толщиной до 400 мкм по подслою химического никеля и заключительным вакуумным отжигом деталей при температуре 880-920°С [Патент РФ №2087552, БИ №23, 1997 г.].
Недостатками такого известного способа являются низкая эрозионная стойкость напыленных слоев в зонах местного разогрева деталей, при воздействии ионов ускоренного потока плазмы, до температур выше 700°С, а также склонность к зонному выкрашиванию слоя оксида алюминия при термоциклировании и длительных ресурсных испытаниях ЭРД МТ.
При создании изобретения решались задачи по созданию напыленных слоев на внешних поверхностях деталей из магнитомягких материалов, образующих магнитные системы ЭРД МТ, с более высокой эрозионной стойкостью в условиях воздействия ускоренного потока плазмы, с более высокой термостойкостью и трещиностойкостью в условиях теплосмен при одновременном обеспечении высоких магнитных характеристик и оптических коэффициентов поверхностей напылений.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки деталей магнитопроводов электрических реактивных двигателей малой тяги, включающим механическую обработку до заданного класса чистоты поверхности, высокотемпературный вакуумный отжиг, плазменное напыление подслоя интерметаллида NiTi и слоя из порошка нитрида титана TiN с получением суммарной толщины слоев 200-300 мкм и последующий стабилизирующий отжиг при температурах ниже точки Кюри от 680-720°С в течение 0,5-1,0 часа.
Кроме того, перед напылением слоя нитрида титана проводят зонное упрочнение по рабочим кромкам детали электроискровой обработкой на глубину 0,3 суммарной толщины напыляемого слоя.
Дополнительный стабилизирующий отжиг может проводиться в окислительной среде.
Поставленные задачи решаются путем применения следующих приемов изготовления и упрочнения деталей из магнитомягких материалов:
2
3
- применение дисперсного порошка нитрида титана TiN, имеющего температуру плавления 3200°С, что на 1100°С выше известного AlO, который обеспечивает при равной микротвердости более лучшую термостойкость, а также более стабильные терморадиационные оптические свойства поверхностей;
- нанесение нитрида титана по подслою интерметаллида (например, никель-титан или никель-алюминий) существенно повышает прочность связи с основой и при выбранной суммарной толщине 200-300 мкм исключает процессы трещинообразования и выкрашивания упрочненного слоя при многочисленном термоциклировании и воздействии знакопеременных тепловых нагрузок;
- проведение стабилизирующего отжига в выбранном интервале температур минимизирует тепловую деформацию тонкостенных деталей и позволяет сохранить оптимальные магнитные свойства при одновременном осветлении наружного слоя от сопутствующих технологии напыления загрязнений;
- предварительное зонное электроискровое упрочнение на глубину до 0,3 толщины напыления эффективно для деталей с острыми рабочими кромками, испытывающими максимальное температурное воздействие ускоренной плазменной струи ЭРД МТ.
Практическое применение предложенный способ нашел при изготовлении и упрочнении деталей наружных и внутренних магнитных полюсов, тонкостенных каркасов в виде цельных деталей или сборных паяных конструкций, которые образуются из магнитомягкой стали 10880 по ГОСТ 10160-80 и магнитомягких кобальтовых сплавов типа 18КХ, а также из пермендюров 49КФ или 49К2Ф по ТУ 14-1-4188-86.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг.1 показаны внешний вид и микроструктура напыленного слоя на магнитных полюсах ЭРД МТ.
На Фиг.2 приведена конструктивная схема отдельных элементов магнитной системы ЭРД МТ, а именно сборного магнитопровода и каркаса сердечника внутренней катушки намагничивания пайкой.
На Фиг.3 показана микроструктура слоя напыленного нитрида титана.
На Фиг.4 приведены оптические коэффициенты поверхностей и класс их шероховатости для напыленных слоев различными материалами.
Изобретение подтверждается примерами практического осуществления, при которых напыление проводили на плазменных установках УПУ-3Д, УПУ-7Д при мощностях плазмотронов 20-35 кВт на плазмообразующем газе аргоне. При этом использовали порошок нитрида титана по ТУ 6-09-112-75 и стандартизованный порошок интерметаллида никель-титан ПН55Т45. Вакуумную термическую обработку проводили в двухколпаковых печах СГВ-2.4/15И2.
Изобретение иллюстрируется примерами.
-2
Пример 1. Полюса наружные были изготовлены из электротехнической стали 10880 механической обработкой (например, токарно-фрезерной обработкой) до заданного класса чистоты поверхностей и далее обрабатывали по предложенному способу. После вакуумного отжига при 960°С в течение 3 часов проводили абразивно-струйную подготовку поверхностей, подвергаемых в последующем плазменному напылению с нанесением подслоя никель-титанового порошка ПН55Т45 толщиной 100-110 мкм. После чего напыляли порошок TiN слоем 180-190 мкм и отжигали полюса для стабилизации свойств при 680°С в течение 1 часа в вакууме 10 Па (см. Фиг.1, где показаны внешний вид и микроструктура напыленного слоя).
1000
В результате были получены слои с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, а именно: микротвердость поверхностного слоя была в пределах НУ=1450-1500 с плавным переходом к основе, отслаивания слоя не наблюдалось при изгибах пластинчатых образцов на 140-150°, выкрашивание не наблюдалось при многократном нагреве до 900°С с охлаждением в воде. Измеренные магнитные свойства основы были Нс=55-65 А/м, В=1,51-1,52 Т, оптические коэффициенты степени черноты Е=0,72-0,73, коэффициент поглощения солнечной радиации As=0,70-0,77. В сравнении с известным способом надежность и ресурс работы деталей в составе магнитной системы повысились в 1,3 раза.
Пример 2. Каркасы, состоящие из стали 10880 с паяными в вакууме с полюсами наружными изготовленными из пермендюра 49КФ (см. на Фиг.2 позиция 1) и магнитопроводы сварные из материалов 10880-49КФ (см. на Фиг.2 позиция 2), изготовленные механической обработкой до заданного класса чистоты поверхностей впоследствии упрочняли напылением по предложенному способу. После высокотемпературного вакуумного отжига при температуре, соответствующей температуре пайки 1100°С составных частей магнитопроводов, напыляли подслой интерметаллидного порошка толщиной 90-100 мкм, а затем уже нитрида титана толщиной 140-150 мкм. Последующий стабилизирующий отжиг проводили при температуре 720°С в течение 0,5 часа и затем определяли свойства упрочненных слоев. В таблице приведены результаты измерений и производственных испытаний, опытных образцов и деталей.
Детали, материалы, способ обработки
Условия плазменного напыления и стабилизирующего отжига
Характеристики упрочненного слоя
Толщина слоя*, мкм
Оптические свойства, A<sub>S</sub>/E
Угол изгиба**, град
Износостойкость***
Предложенный
Полюса внутренние из сплава 49КФ. Магнитопроводы из стали 10880
По механически обработанным поверхностям с классом чистоты Ra=1,65 мкм TiN по подслою NiTi, ток 300 А, напряжение 50 В, отжиг 700°С, 0,5 ч, вакуум 10<sup>-2</sup> Па
280-300
0,76/0,78
150-160
1,70
Известный
Аналог по Патенту РФ №2085597
По механически обработанным поверхностям с классом чистоты Ra=1,45 мкм, ионное напыление TiN без подслоя
5-8
0,45/0,40
140-170
0,80
Известный
Прототип по Патенту РФ №2087552
По механически обработанным поверхностям с классом чистоты Ra=1,65 мкм Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> по химникелированию
370-390
0,81/0,70
75-90
1,40
*)Суммарная с подслоем;
**)До образования трещин и сколов;
***)Относительная по ресурсу работы.
Обработка позволила сформировать слои повышенной эрозионной стойкости при воздействии на них ускоренной ионной плазмы, при этом деформация деталей была минимальной и не превышала 20-25 мкм, одновременно с этим повысились термостойкость и трещиностойкость покрытия в сравнении с известными способами. Магнитные свойства электротехнической стали 10880 и сплава 49КФ были в пределах регламентированных стандартами. Способ упрочнения оказался также эффективным при напылении слоев по предложенному способу и на детали из ковара и титана ВТ1-0 из состава катодов-компенсаторов, используемых в ЭРД МТ.
2
3
Пример 3. Каркасы, изготовленные механической обработкой до заданного класса чистоты поверхностей из стали 10880, обрабатывали по предложенному способу. После высокотемпературного вакуумного отжига при температуре 960°С в течение 2,5 часов проводили электроискровую обработку рабочих кромок детали на глубину 0,3 толщины слоя на установке «Элитрон», а затем напыляли нитрид титана по подслою интерметаллида никель-титана по всей торцевой поверхности каркаса. Суммарная толщина напыления составила 280 мкм и после окислительного стабилизирующего отжига при температуре 700°С в течение 30 минут практически не изменилась. Одновременно с этим произошло осветление поверхностей напыленного нитрида титана от технологических загрязнений. Микроструктура полученного слоя приведена на Фиг.3, а оптические коэффициенты поверхностей и класс их шероховатости представлены на Фиг.4, которые оказались не хуже, чем характеристики поверхностей с напылением AlO, а прочность соединения с основой повысилась на 30-35%. Обработка по предложенному способу позволила изготавливать детали со стабильными магнитными свойствами основы при повышении износостойкости внешних поверхностей в сравнении с известными способами в 1,5-2,0 раза.
При испытании и осуществлении способа при параметрах процессов за пределами заявляемых достигаемый положительный эффект снижался. Так, при увеличении толщины слоя нитрида титана и подслоя интерметаллида никель - титан суммарно выше 300 мкм повышалась хрупкость, снижалась трещиностойкость при высокой микротвердости. При снижении суммарной толщины ниже 200 мкм несколько снижались оптические свойства поверхности.
Повышение температуры и времени стабилизирующего отжига после напыления приводило к увеличению тепловой деформации и требовало снижения скорости охлаждения для сохранения высоких магнитных свойств, что дополнительно увеличивало трудоемкость обработки.
Таким образом, проведенные опыты и испытания разработанной технологии упрочнения разнообразных по конфигурации деталей ЭРД МТ, изготовленных из различных материалов, показали существенное улучшение всех технологических и эксплуатационных характеристик деталей из магнитомягких сталей и сплавов, применяемых в магнитных системах различных типоразмеров ЭРД МТ.