СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОКОМПОЗИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ
METHOD OF NANOCOMPOSITE COATING APPLICATION ONTO STEEL ARTICLE SURFACE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к способам образования защитных покрытий на деталях (изделиях), имеющих тонкостенные и толстостенные части, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам, воздействию агрессивной рабочей среды. Изобретение может быть использовано в энергетическом машиностроении для защиты лопаток турбин и компрессоров, валов, золотников, а также элементов запорно-регулирующей арматуры от эрозии, коррозии и теплового воздействия.
8
В настоящее время широкое распространение получили методы нанесения защитных покрытий в вакууме путем физического осаждения на защищаемую поверхность с образованием соединений, устойчивых к разрушающему воздействию - механическому, химическому, тепловому. Такие покрытия наносятся в несколько слоев с использованием электродугового источника распыляемого материала (см. пат.RU №2373302 МПК С23С 14/06, опубл. 20.11.2009).
Однако покрытие, получаемое известным способом, не обеспечивает необходимого качества подготовки поверхности.
8
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность стального изделия (пат. RU №2437963 МПК С23С 14/06, опубл. 27.21.2011), в котором защищается способ нанесения нанокомпозитного покрытия. Способ заключается в том, что после механической обработки изделия и помещения его в вакуумную камеру производят очистку изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхностей изделия, нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы.
Однако в процессе очистки аргоном, азотирования и формирования покрытия не обеспечивается однородное поле температур на тонкостенных и толстостенных частях изделия, что снижает качество покрытия и не обеспечивает необходимый срок службы при работе изделия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур.
Технической задачей изобретения является повышение срока службы покрытия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур.
Решение этой технической задачи достигается тем, что в известном способе формирования нанокомпозитного покрытия на поверхности изделия, имеющих тонкостенные и толстостенные части и выполненных из стали или титанового сплава, включающий очистку изделий в вакуумной камере в среде инертного газа, ионное травление, ионно-плазменное азотирование, чередующееся с ионным травлением, нанесение нанокомпозитного покрытия методом физического осаждения из паровой фазы посредством магнетронов, во время очистки изделий в среде инертного газа, ионного травления, ионно-плазменного азотирования, чередующегося с ионным травлением, и нанесения нанокомпозитного покрытия, выравнивают температуру тонкостенных и толстостенны частей изделий путем их размещения так, чтобы толстостенная часть одного изделия располагалась между толстостенными частями других изделий, при этом упомянутое нанесение нанокомпозитного покрытия проводят путем нанесения микрослоя из нанослоев толщиной 1-100 нм из титана и хрома и последующего нанесения микрослоя из нанослоев толщиной 1-100 нм из нитридов титана и хрома.
Кроме того, микрослой из титана и хрома наносят толщиной 0,3-0,8 мкм путем последовательного прохождения изделия перед магнетронами с мишенями из указанных материалов.
Кроме того, микрослой из нитридов титана и хрома наносят толщиной 2,5-3 мкм путем последовательного прохождения изделия перед магнетронами с мишенными из титана и хрома при подаче в камеру азота.
Способ формирования покрытия осуществляется следующим образом.
Изделия полируют, обезжиривают в ультразвуковой ванне, обрабатывают бензино-спиртовой смесью, подвергают термообработке в сушильном шкафу. Подготовленные таким образом изделия размещают на карусели в вакуумной камере, размещая их таким образом, чтобы тонкостенная часть одного изделия располагалась между толстостенными частями других изделий. Нагрев вакуумной камеры и откачку воздуха из нее производят одновременно. Помимо ускорения процесса одновременное проведение нагрева камеры и создание в ней вакуума целесообразно для десорбции ранее адсорбированных поверхностью изделий паров воды и рабочих жидкостей вакуумных насосов, а также растворителей, которыми обрабатывали изделия.
Проводят очистку поверхности изделий и вакуумной камеры в тлеющем разряде от адсорбированных паров воды, растворителей и т.п., для чего на карусель подают напряжение от 1000 до 1200 В, а в вакуумную камеру впускают инертный газ, например, аргон. Далее осуществляют ионное травление поверхности. Для травления очищенной поверхности увеличивают плотность потока ионов на изделии. Для этого включают магнетроны, которые в данном случае играют роль генераторов плазмы, однако выбирают такой режим их работы, чтобы скорость осаждения распыленного металла была меньше скорости его стравливания. При этом для удаления стравленного материала с поверхности изделия давление аргона должно быть низким, таким, чтобы длина свободного пробега частицы была сравнима с расстоянием от изделия до стенки камеры. Наиболее интенсивное травление происходит, когда изделия проходят между магнетронами. Применение магнетронов в процессе травления позволяет избежать нанесения капель металла на поверхность изделия, что характерно при использовании электродуговых распылителей. Травление производят до появления на поверхности изделия характерного рисунка зерен металла, и в результате получают ненарушенную механической и химической обработкой поверхность изделия. Учитывая, что материалы из сталей и титановых сплавов обладают малой теплопроводностью, температура поверхностного слоя тонкостенных и толстостенных частей изделия будет различной. Возможен перегрев тонкостенных частей и неконтролируемое изменение структуры металла, фазовые переходы и т.п. Если же для выравнивания поля температур циклически включать/отключать подачу потенциала на изделие, имеющее тонкостенные и толстостенные части, то процесс очистки может занимать много времени и приводить к "огрублению" поверхности.
Протравленную таким образом поверхность изделия подвергают ионно-плазменному азотированию. Азотирование поверхности заключается в диффузионном насыщении азотом приповерхностного слоя металла глубиной до 500 мкм, в результате чего образуется раствор азота в металле. Твердость поверхности может возрасти в четыре и более раз от исходной величины, уменьшаясь с глубиной до твердости исходного материала. Это необходимо для исключения резкого изменения твердости на границе «нанокомпозитное покрытие - основной материал», что дает снижение максимальных напряжений в пограничной зоне материалов покрытия и основы. Травление поверхности перед азотированием позволяет обеспечить диффузию азота на большую глубину и образование более однородного и насыщенного раствора азота в металле. Азотирование осуществляют путем подачи в камеру газообразного азота и нагрева изделия при поддержке магнетронным разрядом, который повышает интенсивность диффузии азота.
По окончании ионно-плазменного азотирования проводят дополнительное ионное травление для удаления образованных на поверхности изделий соединений азота, которые в дальнейшем препятствуют высокой адгезии материала нанокомпозитного покрытия. Проведение азотирования осуществляется в N этапов, где N - целое число и выбрано из условия N≥1, чередующихся с ионным травлением, поскольку образующиеся на поверхности изделия соединения азота уменьшают скорость проникновения азота в материал. В результате формируется чистая поверхность металла с твердым приповерхностным слоем, готовая к нанесению нанокомпозитного покрытия.
Нанокомпозитное покрытие формируют методом физического осаждения из паровой фазы посредством магнетронов, последовательно чередуя слои различных материалов. Первым наносят микрослой из титана, хрома общей толщиной 0,3-0,8 мкм, который в свою очередь состоит из нанослоев этих материалов толщиной от 1 до 100 нм. Эти нанослои образуются при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из различных распыляемых материалов - титана, хрома.
Затем наносят второй микрослой из нитридов титана, хрома общей толщиной 2,5-3 мкм. Этот микрослой также состоит из нанослоев толщиной от 1 до 100 нм и образуется при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из титана, хрома при подаче в камеру азота. В результате формируется плотный беспористый слой. Далее операции повторяют, и в результате получают нанокомпозитное защитное покрытие общей толщиной 5,9-7,6 мкм или более. Толщина нанослоев регулируется изменением скорости вращения карусели и мощности магнетронного разряда. Толщина микрослоев регулируется временем формирования покрытия.
Экспериментально обнаружено, что наилучшие характеристики покрытия достигаются в указанных диапазонах толщин микро- и нанослоев.
Для исследования свойств нанокомпозитного покрытия, нанесенного описанным выше способом, были изготовлены образцы из стали 20Х13 и титанового сплава ВТ-6. Первая группа (I) образцов обработке не подвергалась. На поверхность образцов второй группы (II) было нанесено нанокомпозитное покрытие, состоящее из слоев (Ti+Cr)/(TiN+CrN), при этом азотирование проводилось после очистки аргоном, проводилось ионное травление после азотирования, наносилось покрытие, образцы размещались на макетах рабочих лопаток паровых турбин, установленных в вакуумной камере только "замками" вверх. Обработка образцов третьей группы (III) отличалась от обработки образцов второй группы тем, что образцы размещались на макетах рабочих лопаток паровых турбин, установленных в вакуумной камере попеременно "замками" то вверх, то вниз. Первая группа являлась контрольной, и эрозионная стойкость образцов второй и третьей групп определялась по отношению к эрозионной стойкости образцов первой группы. Исследование проводилось на стенде «ЭРОЗИЯ-М» НИУ МЭИ, его результаты приведены в таблице.
Таким образом, именно чередование при размещении тонкостенных частей изделий между толстостенными частями изделий позволяет увеличить эрозионную стойкость изделий, а значит, и срок их службы.
Группа образцов
Относительная эрозионная стойкость
I
1,0
II
3,7-4,3
III
4,4-4,7
Однако предлагаемый способ формирования нанокомпозитного покрытия не ограничивается описанными выше комбинациями материалов для нанесения слоев. В частном случае реализации способ может включать применение мишени, представляющей собой набор пластин. В отдельных случаях обработка поверхности согласно предлагаемому способу может проводиться с использованием в качестве напыляемого материала различных элементов, например, Ti, Ni, Co, Cr, Al, Y, Zr, Hf, V, Та, Мо, W, В, Si, С или любого сплава на основе указанных элементов. В качестве реакционного газа возможно применение азота, кислорода, углеводородов, паров кремнеорганических и боросодержащих жидкостей, а также любой смеси указанных газов.
При реализации способа возможно расположение магнетронов на периферии вакуумной камеры и/или в центре нее, что уменьшает время обработки изделия.
Пример конкретной реализации способа:
- полировка изделия, обезжиривание ультразвуком и протирка бензино-спиртовой смесью, сушка в шкафу при Т=55°С;
ост
-4
- размещение изделий на карусели в вакуумной камере, одновременный нагрев и откачка вакуумной камеры Т=145°С, Р=10 Па;
смещения
- ионная очистка аргоном, Р=1,4 Па, t=10 мин, U=1120 В;
смещения
- ионное травление, Р=0,19 Па, t=15 мин, U=1120 В, напряжение на магнетронах - по 160 В;
смещения
- азотирование, Р=1,9 Па, t=65 мин, U=1120 В;
смещения
- ионное травление, Р=0,19 Па, t=15 мин, U=1120 В, напряжение на магнетронах - по 160 В;
смещения
- формирование многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев Ti, Cr по режиму Р=0,25 Па, t=15 мин, U=65 В, напряжение на магнетронах - по 480-520 В.
смещения
- формирование многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев TiN, CrN по режиму Р=0,3 Па, t=60 мин, U=70 В, напряжение на магнетронах - по 490 - 530 В.
смещения
- формирование многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев Ti, Cr по режиму Р=0,25 Па, t=14 мин, U=65 В, напряжение на магнетронах - по 480-520 В;
смещения
- формирование многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев TiN, CrN по режиму Р=0,3 Па, t=60 мин, U=70 В, напряжение на магнетронах - по 490-530 В.
Использование изобретения обеспечивает увеличение срока службы нанокомпозитного покрытия.
Под изделием (деталью), имеющим тонкостенные и толстостенные части, подразумевается изделие с сильно изменяющейся площадью поперечного сечения - например, лопатка газовой или паровой турбины, шток, шибер запорно-регулирующей арматуры.