СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ИЗ ОБЪЕМНО-ЦЕНТРИРОВАННОГО КУБИЧЕСКОГО (В2) АЛЮМИНИДА НИКЕЛЯ (NiAl) С РЕГУЛИРУЕМОЙ ТОЛЩИНОЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
METHOD OF PRODUCING COATING FROM CUBIC BODY-CENTERED NICKEL ALUMINIDE (NiAl) WITH CONTROLLED THICKNESS ON NICKEL-BASED ALLOY SURFACE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к алюминированию сплавов на основе никеля, в частности к способу получения высокотвердого покрытия из объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) регулируемой толщины с использованием термического распыления проволоки из технически чистого алюминия на поверхностях сплавов на основе никеля с последующей диффузионной термообработкой в вакуумной атмосфере. Существенным является то, что способ получения на сплавах на основе никеля никель-алюминидных (B2-NiAl фаза) покрытий имеет целью достижение высокой твердости (число твердости по Виккерсу 800-1100) и допуска на размер толщины покрытия 80±30 мкм. Преимуществом способа изобретения является то, что он позволяет получать никель-алюминидные покрытия только на заданных участках подложки из сплавов на основе никеля при минимальном выделении в окружающую среду паров токсичных химических веществ, благодаря чему способ является экологически чистым. Кроме того, нанесение никель-алюминидного покрытия настоящего изобретения возможно без необходимости маскирования нежелательных участков деталей и, что еще более важно, может осуществляться как на плоских, так и на искривленных поверхностях, что делает возможным применение такого способа алюминирования в широком спектре приложений. Способ изобретения способен облегчить товарное производство, где требуется проведение модифицирования поверхностей, и технологии, где применяется нанесение защитных покрытий для повышения стойкости к коррозионно-механическому износу и истиранию подложки из сплавов на основе никеля при высоких температурах, в частности в атомной промышленности, в самолетостроении и газотурбинной промышленности.
Уровень техники
Хорошо известно, что имеется потребность в сплавах на основе никеля, которые модифицированы и обработаны по поверхности для защитных покрытий, например, для защиты от износа, защиты от окисления, защиты от коррозии и т.д. с целью адаптирования таких сплавов для применения при высоких температурах в различных промышленных и родственных использованиях.
Известно, что алюминирование сплавов на основе никеля обычно проводится с использованием таких способов, как диффузионное насыщение из засыпок, напыление суспензии, нанесение кистью, погружение и химическое осаждение из паровой фазы, в результате чего поверх подложки образуется слой алюминида никеля (NiAl), предназначенный для создания твердой поверхности, стойкой к коррозионно-механическому износу и истиранию.
Известно также проведение лишь одних процессов термического напыления для внесения металлов на выработанные поверхности стальных деталей. Известно также изготовление покрытий способами диффузии из засыпок и диффузии из паровой фазы для защиты от механического и коррозионного износа деталей реактора на быстрых нейтронах. Ранее для изготовления NiAl покрытия использовали также способы с применением алюминиевых красок. Хотя в указанном выше существующем уровне техники преобладает никель-алюминидное покрытие на сплавах на основе никеля, известные до настоящего времени процессы и устройства обладают свойственными им ограничениями и недостатками.
Диффузионное насыщение из засыпок представляет собой способ, который широко применяется для такого алюминирования, так как он недорог и идеально подходит для периодического производства небольших деталей. В таком способе диффузионного насыщения из засыпок подвергаемые алюминированию детали обычно обрабатывают при температурах от 850 до 1050°С в засыпке, состоящей из источника алюминия, такого как Ni-Al, Ti-Al или Cr-Al, активатора (галогенида) и какого-либо инертного наполнителя типа оксида алюминия (1). Практика, однако, показала, что такая технология диффузионного насыщения из засыпки включает в себя работу с большими количествами оксида алюминия и металлических порошков, длительные печные циклы, обусловленные большой тепловой инерцией, и свойственную этому способу пониженную производительность.
С другой стороны, алюминирование из паровой фазы (2) в значительной степени устраняет недостатки диффузионного насыщения из засыпки, но требует при этом специальных вакуумных печей и арматуры. Кроме того, оба названных способа сопровождаются контактом оператора с агрессивными галогенидными активаторами, что небезопасно и нежелательно с точки зрения безопасности оператора.
Патент US 3000755 направлен на создание устойчивых к окислению турбинных лопаток и сопловых лопаток для газотурбинных двигателей. Более конкретно, патент посвящен турбинным лопаткам из сплава на основе никеля и сплава на основе кобальта, имеющим поверхности с защитным слоем из сплава базового металла с алюминием, в котором часть металла покрытия диффундирована в базовый металл с образованием в результате этого вместе с базовым металлом стойкого к окислению поверхностного слоя из сплава металла покрытия и указанного базового металла, толщина которого не превышает 0,0025 дюйма (0,00625 см).
Патент US 3129069 также направлен на создание стойких к окислению турбинных лопаток и сопловых лопаток для газотурбинных двигателей. Более конкретно, в патенте предлагается сплав алюминия с базовым металлом лопасти, имеющий толщину приблизительно 0,0005 дюйма.
Однако хотя указанный выше существующий уровень техники и предложил возможное никель-алюминидное покрытие, в существующем уровне техники ни разу не было указано, даже в виде намека, на способы создания слоя/покрытия из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl) желаемой регулируемой толщины.
Кроме указанных выше ограничений и сложностей традиционных способов алюминирования на сплавах на основе никеля для получения слоя/покрытия из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl) существенным является также то, что при выполнении таких способов алюминирования всегда необходимо маскирование поверхностей, на которые не предполагается нанесение покрытия, для чего необходимы особые меры предосторожности и что осложняет такие процессы алюминирования.
Цели изобретения
Таким образом, главной целью настоящего изобретения является создание способа нанесения на сплавы на основе никеля никель-алюминидного (NiAl) покрытия, в частности высокотвердого слоя/покрытия из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl), регулируемой толщины с использованием термического распыления проволоки из технически чистого алюминия с последующей диффузионной термообработкой в вакуумной атмосфере в качестве поверхностного модифицирования и специализированного защитного покрытия для придания подложке из сплава на основе никеля стойкости к коррозионно-механическому износу и истиранию.
Другой целью настоящего изобретения является способ нанесения никель-алюминидного (NiAl) покрытия, в частности слоя/покрытия для сплавов на основе никеля из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl), который (способ) был бы, с одной стороны, приемлем по цене и в то же время, с другой стороны, использовал бы технологию без проблем/недостатков, связанных с работой с большими количествами оксида алюминия и металлического порошка, длительных печных циклов, обусловленных большой тепловой инерцией и свойственной способу пониженной производительностью.
Еще одной целью настоящего изобретения является простой способ нанесения никель-алюминидного (NiAl) покрытия, в частности слоя/покрытия для сплавов на основе никеля из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl), для которого (способа) не требовалось бы каких-либо специальных вакуумных печей и арматуры и который бы благодаря этому мог бы быть задействован и использовался бы для изготовления никель-алюминидных покрытий.
Еще одной целью настоящего изобретения является способ алюминирования, который позволил бы получать никель-алюминидное покрытие, в частности слой/покрытие для сплавов на основе никеля из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl), при допуске 80±30 мкм с числом твердости по Виккерсу (VHN) в пределах 800-1100 и с уменьшенной продолжительностью цикла по сравнению с традиционным покрытием, получаемым диффузионным насыщением из засыпок и диффузией из паровой фазы.
Еще одной целью настоящего изобретения является увеличение производства сплавов на основе никеля с покрытием из объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) с регулируемой толщиной без сложностей, связанных с маскированием поверхностей, на которые не предполагается наносить покрытия, благодаря чему было бы облегчено простое и регулируемое производство сплавов на основе никеля с никель-алюминидным покрытием.
Еще одной целью настоящего изобретения является получение сплавов на основе никеля с покрытием из упорядоченного объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl), которое могло бы с успехом использоваться для образования покрытия только на заданных участках без каких-либо специальных операций маскирования поверхностей, на которых алюминирование не предполагается.
Еще одной целью настоящего изобретения является получение сплавов на основе никеля с покрытием из упорядоченного объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) с повышенной производительностью, экологической чистотой и пригодностью для массового производства крупноразмерных деталей.
Еще одной целью настоящего изобретения является способ, который позволил бы получать никель-алюминидное покрытие, в частности слой/покрытие из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl), на сплавах на основе никеля при наличии плоских и/или гофрированных поверхностей, для того чтобы способствовать производству разнообразных сплавов на основе никеля с покрытием из алюминида никеля.
Дополнительной целью настоящего изобретения является получение поверхностного защитного покрытия, в частности слоя/покрытия из В2-фазы (объемно-центрированного кубического NiAl), для высокотемпературного применения с целью повышения износостойкости подложки из сплавов на основе никеля с избирательно регулируемой толщиной покрытия и постоянной возможностью воспроизводства микроструктуры и высокой твердости.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание простого и при этом эффективного способа получения поверхностного защитного покрытия, в частности слоя/покрытия из В2-фазой (объемно-центрированного кубического NiAl), для высокотемпературного нанесения на сплавы на основе никеля, что способствовало бы общему сокращению времени и стоимости алюминирования по сравнению с традиционными применяемыми в настоящее время способами алюминирования указанных сплавов на основе никеля.
Краткое раскрытие изобретения
Таким образом, согласно базовому аспекту настоящего изобретения, предложен способ получения покрытия из объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) регулируемой толщины с твердостью в пределах чисел твердости по Виккерсу 800-1100 на поверхностях подложек из сплава на основе никеля, включающий:
термораспыление проволоки из технически чистого алюминия на предназначенную для нанесения покрытия подложку из сплава на основе никеля до контролируемой толщины;
диффузионную термообработку алюминия, напыленного таким образом на подложку из сплава на основе никеля, в вакуумной атмосфере, в результате которой напыленный алюминий взаимодействует с подложкой из сплава на основе никеля с образованием на покрываемой подложке из сплава на основе никеля с содержанием никеля не менее 40 вес.% никель-алюминидного покрытия.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предложен способ получения покрытия из объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) регулируемой толщины на поверхностях сплава на основе никеля, включающий:
активирование покрываемых поверхностей с помощью пескоструйной обработки, преимущественно с последующим контролем размеров и обезжириванием;
термораспыление технически чистого алюминия на предназначенные для этого поверхности до определенной желаемой толщины в пределах от 100 до 200 мкм, предпочтительно до 100-120 мкм;
диффузионную термообработку алюминия, напыленного таким образом на подложку из сплава на основе никеля, в вакуумной атмосфере, в результате которой напыленный алюминий взаимодействует с подложкой из сплава на основе никеля с образованием на покрываемой подложке из сплава на основе никеля с содержанием никеля не менее 40 вес.% желаемого никель-алюминидного покрытия контролируемой толщины; и поверхностную очистку поверхности с нанесенным покрытием.
2
Существенно, что в указанном выше способе получения покрытия из объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) упомянутое пескоструйное активирование поверхности проводится с использованием твердых частиц оксида алюминия заданного размера с распределением в интервале размеров ячеек сита от 30 до 120 меш при давлении воздуха 5,5±0,5 кг/см.
2
2
2
Согласно еще одному аспекту изобретения, параметры термораспыления включают (i) диаметр алюминиевой проволоки в пределах от 3,0 до 3,2 мм при скорости подачи проволоки в пределах от 2,0 до 2,5 мм/сек; (ii) давление воздуха в пределах 5,5±0,5 кг/см; (iii) давление кислорода в пределах 2,5±0,3 кг/см и давление ацетилена в пределах 1,0±0,2 кг/см.
-5
Указанную диффузионную термообработку в вакуумной атмосфере проводят при давлении 10 мбар и температуре в пределах от 950 до 1100°С в течение от 1,0 до 1,5 ч.
В указанном выше способе получения покрытия из объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) упомянутая поверхностная очистка поверхности с покрытием включает в себя главным образом удаление налипшей оксидной окалины с помощью травильного раствора, в процессе чего выполняются следующие операции:
3
3
(i) подготовка травильного раствора, преимущественно содержащего (a) концентрированную азотную кислоту (удельный вес: 1,41 г/см) в количестве 16% (по объему); (b) фтористоводородную кислоту (удельный вес: 1,61 г/см) в количестве 3,5% (по объему) и (с) воду в количестве 80,5% (по объему);
(ii) выдержка подвергнутых диффузионной обработке полос в растворе в течение 30 мин и далее
(iii) дополнительная очистка полос с помощью абразивной бумаги с размером зерен 400.
Используя раскрытый выше способ изобретения, можно осуществлять нанесение покрытия из алюминида никеля (NiAl) на сплавы на основе никеля, включая выборочно плоские и/или гофрированные поверхности. Существенным является то, что указанное никель-алюминидное покрытие наносится на сплавы на основе никеля с содержанием никеля не менее 40 вес.% как на плоские, так и на гофрированные поверхности.
Способ адаптирован для избирательного образования защитных покрытий, без проведения какого-либо маскирования непокрытых участков для желаемого высокотемпературного применения на сплавы на основе никеля с содержанием никеля не менее 40 вес.%, имеющих число твердости по Виккерсу от 800 до 1100 и толщину покрытия 80±30 мкм.
-5
Важно отметить, что в указанном выше способе активность поверхности, процедуры распыления и параметры диффузии являются существенными для оптимизации толщины и твердости покрытия. Активность поверхности достигается путем подборки при пескоструйной обработке подходящего размера твердых частиц (размер ячеек сита 30-120 меш). Термораспыление алюминия проводят с использованием диаметра алюминиевой проволоки 3,2 мм и выдерживания расстояния до горелки 200-300 мм при скорости подачи проволоки 2,0-2,5 мм/сек. Толщина напыленного слоя отслеживается по 100% квалификационных полос и по процентам некоторых произвольно выбранных изготовленных полос таким образом, чтобы обеспечить толщину напыленного слоя 100-200 мкм. Оптимизированную диффузионную обработку проводят в вакуумной печи при остаточном давлении 10 мбар и температуре 950-1100°С в течение 1,0-1,5 ч.
Таким образом, с помощью описанного выше настоящего изобретения можно создавать на сплавах на основе никеля покрытие контролируемой толщины из упорядоченного объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl), используя способ избирательной термораспылительной диффузии. Существенно, что способ изобретения обеспечивает избирательные преимущества при производстве сплавов на основе никеля с покрытием благодаря применению термораспыления, которое представляет собой процесс, в котором расплавленные или полурасплавленные частицы наносят путем удара о поверхность с равномерной скоростью, используя механически или вручную управляемый пистолет-распылитель.
После термораспыления в вакуумной атмосфере проводится избирательная диффузионная обработка, в результате которой алюминий плавится и взаимодействует со сплавами на основе никеля/железа с образованием В2-NiAl-фазы.
Существенно, что основным преимуществом в описанном выше способе изобретения, включающем комбинацию термораспыления и диффузионной обработки, является то, что в этом способе отсутствуют сложности, связанные с маскированием непокрытых поверхностей, и при этом способ способствует нанесению покрытия только на заданные поверхности сплавов на основе никеля. Это является важным преимуществом настоящего способа получения сплавов на основе никеля с никель-алюминидным покрытием, поскольку традиционные способы нанесения покрытия на такие сплавы, такие как традиционный способ диффузионного насыщения из засыпок, способ горячего погружения и т.д., неизменно требуют нанесения покрытия на всю полосу целиком, если не предусмотреть специальные стадии маскирования участков, на которых алюминирование не желательно.
Поскольку настоящий способ прост в исполнении и применении, он способствует более высокой производительности и в существенной степени экологически чист и безопасен с точки зрения операторов, поскольку этот способ не требует того, чтобы оператор подвергался воздействию со стороны агрессивной среды, такой как агрессивные галогенидные активаторы, используемые в традиционных способах диффузионного насыщения из засыпок и алюминирования из паровой фазы.
Детали изобретения, его цель и преимущества описаны ниже более детально применительно к не ограничивающей изобретение типичной иллюстрации способа изобретения в соответствии с прилагаемой фигурой и примерами.
Краткое описание фигуры
Фиг.1 представляет схематическую иллюстрацию стадий, задействованных в алюминировании сплавов на основе никеля согласно настоящему изобретению, включающем термораспыление и диффузионную обработку.
Как следует из приведенной фигуры, основные включенные в такой способ алюминирования стадии выполняются в следующей последовательности: (a) контроль размеров, (b) обезжиривание, (c) пескоструйная обработка, (d) термическое распыление, (e) диффузионная обработка, (f) доводка поверхности и (g) контроль размеров. Такой способ алюминирования согласно изобретению, включающий термораспыление и диффузионную обработку, дополнительно проиллюстрирован на следующем примере.
Пример
Типичный процесс алюминирования сплавов на основе никеля, включающий термораспыление и диффузионную обработку, выполнен в соответствии с приведенным ниже детальным описанием.
2
2
i) Поверхность сплава на основе никеля, на которую предполагается нанесение покрытия, вначале (после контроля размеров и обезжиривания) активируют с помощью пескоструйной обработки с использованием твердых частиц оксида алюминия заданного размера при заданном распределении размеров, т.е. в интервале размеров ячеек сита от 30 до 120 меш, при давлении воздуха 5,5±0,5 кг/см. Лучшая адгезия напыленного алюминия к подложке на основе никеля достигается при использовании размеров ячеек сита от 50 до 80 меш и давлении воздуха 5,0-5,1 кг/см.
ii) Вслед за этим проводят термораспыление на заданных поверхностях с использованием технически чистого алюминия (диаметр 3,2 мм) до конкретной толщины в пределах от 100 до 200 мкм с применением следующих параметров термораспыления:
a) скорость подачи проволоки: 2,0-2,5 мм/сек;
2
b) давление воздуха: 5,5±0.5 кг/см;
2
c) давление кислорода: 2,5±0,3 кг/см;
2
d) давление ацетилена: 1,0±0,2 кг/см.
-5
iii) Последующую диффузионную обработку проводят в вакуумной атмосфере при остаточном давлении 10 мбар и заданной температуре в пределах 950-1100°С в течение 1,0-1,5 ч, чтобы дать возможность напыленному алюминию прореагировать с подложкой из никель-железо-хромового сплава и образовать алюминидное покрытие.
С целью получения лучших результатов вслед за получением оптимальной толщины термически напыленного алюминия на поверхности сплава на основе никеля в пределах 100-120 мкм проводят диффузионную термообработку при 1010±10°С, в результате которой получают никель-алюминидное покрытие с толщиной 75-90 мкм и числом твердости по Виккерсу 980-1030.
iv) Далее проводят операцию поверхностной очистки для удаления налипшей оксидной окалины с использованием травильного раствора в соответствии со следующими деталями:
3
a) концентрированная азотная кислота (удельный вес: 1,41 г/см): 16 об.%;
3
b) фтористоводородная кислота (удельный вес: 1,61 г/см): 3,5 об.%;
c) вода: 80,5 об.%.
Полученный выше травильный раствор используют для выдержки в нем в течение 30 мин подвергнутых диффузионной обработке полос, после чего полосы очищают вручную, используя для этого абразивную бумагу с размером абразивных частиц 400.
С помощью раскрытого выше способа изобретения имеется возможность получать на сплавах на основе никеля высокотвердое покрытие из упорядоченного объемно-центрированного кубического (В2) алюминида никеля (NiAl) контролируемой толщины при использовании для этого простого и в то же время эффективного способа термораспылительной диффузии.
Существенным является то, что с помощью настоящего способа алюминирования никель-алюминидное покрытие можно получать на сплавах на основе никеля с содержанием никеля не менее 40 вес.% как на плоских, так и на гофрированных поверхностях. Кроме того, такие способы оказались пригодными для массового производства крупноразмерных деталей с никель-алюминидным покрытием с допуском 80±30 мкм и числом твердости по Виккерсу в пределах 800-1100 VHN при уменьшенной продолжительности цикла по сравнению с традиционными способами, такими как диффузионное насыщение из засыпок и нанесение покрытия диффузией из паровой фазы. Кроме того, способ изобретения, включающий избирательную комбинацию термораспыления и диффузионной термообработки, должен способствовать нанесению покрытия на выбранные участки деталей как на плоских, так и на гофрированных поверхностях без необходимости маскирования и связанных с этим сложностей. Благодаря этому способ обеспечивает общее сокращение времени и стоимости алюминирования, которое, как было установлено, оказалось в четыре раза быстрее, чем в традиционных способах алюминирования сплавов на основе никеля.
Таким образом, предполагается, что настоящий способ делает возможным производство поверхностных защитных покрытий для высокотемпературных применений с целью повышения износостойкости сплавов на основе никеля с контролируемой толщиной покрытия и, что существенно, с постоянной возможностью воспроизводства микроструктуры и высокой твердости. Кроме того, предполагается, что способ позволит алюминировать только заданные участки поверхности без необходимости прибегать к сложному маскированию участков, на которые не планируется нанесение покрытия. Способ обеспечивает общее сокращение времени и стоимости алюминирования. Продолжительность алюминирования для других, традиционных способов в четыре раза больше, чем в настоящем изобретении, и, таким образом, настоящий способ способствует намного более простому и быстрому производству сплавов на основе никеля с NiAl покрытием на плоских и/или на гофрированных поверхностях, будучи в то же время экологически чистым и безопасным в осуществлении.