Диффузионные покрытия

Формирование на поверхности лопаток турбины покрытий диффузионным методом основано на протекании трех основных стадий: доставка насыщающего вещества покрытия, адсорбция и реакционная диффузия. В зависимости от реализации первой и частично второй стадий различают порошковый, шликерный и газово-циркуляционный методы нанесения жаростойких диффузионных покрытий. Общим признаком всех трех методов является необходимость их проведения при высокой температуре (950…1050^оС) в вакуумной среде при остаточном давлении ~ 10^-3 мм рт. ст., либо в инертной среде при избыточном давлении аргона.

Порошковый метод состоит в том, что лопатку, на поверхности пера которой создается покрытие, помещают в контейнер, засыпают порошкообразной смесью и подвергают нагреву и выдержке при определенной температуре. В зарубежной практике порошковый метод часто называют «цементацией» в контейнере (Pack cementation).

Порошковые смеси состоят из активной составляющей, инертного наполнителя и активатора. Так, для получения алюминидных покрытий в качестве активной составляющей используют порошок алюминия или сплавы алюминия с железом, хромом и другими элементами. В качестве инертного наполнителя применяют оксиды алюминия, которые предназначены для предотвращения спекания активной составляющей. В роли активаторов выступают различные галоидные соли, например NH ₄ Cl, NH ₄ F, NH ₄ J, NH ₄ Br, NaF, KF и др.

При нагревании контейнера, содержащего насыщающую смесь и лопатки, в нем начинается процесс разложения активатора. Продукты разложения вступают в реакцию с алюминием и образуют газообразные соединения, которые переносят алюминий к поверхности лопатки. В результате реакций диспропорционирования на поверхности жаропрочного сплава происходит образование соответствующих алюминидов и галогенидов высшей валентности. Сказанное можно пояснить следующими реакциями:

Образовавшиеся галогениды высшей валентности поступают в насыщающую смесь, где вновь взаимодействуют с алюминием. В результате процесс насыщения поверхности алюминием не связан с расходом хлоридов.

Большое значение на результаты насыщения (толщина покрытия, его состав и микротвердость) оказывает количество вводимого галогенного активатора, а также состав активной и инертной составляющей. Так, в работах [7–9] сообщается, что оптимальная концентрация активатора в порошковой смеси, обеспечивающая получение покрытий наибольшей толщины при незначительном обеднении смеси, составляет 1…3%. Другой основной характеристикой смесей является их активность, определяемая количеством алюминия, поставляемого к поверхности данной смесью. Условно все смеси делят на смеси высокой, средней и малой активности.

Смеси высокой активности состоят обычно из алюминиевого порошка и инертного наполнителя. С увеличением содержания свободного алюминия увеличивается активность смеси, и, как следствие, толщина покрытия. Концентрация алюминия во внешней зоне таких покрытий больше 40%. Насыщение жаропрочных сплавов в таких смесях можно проводить при 900^оС, а при увеличении содержания в смеси алюминия до 98% температура процесса может быть понижена до 500…600^оС.

Смеси средней активности характеризуются снижением доли свободного алюминия в смеси до 50%. В данном случае для повышения защитных свойств покрытия в состав смеси совместно с алюминием вводят железо, хром, никель, кобальт и другие элементы. В результате активность смеси понижается, что влечет закономерное уменьшение толщины покрытия. Для получения требуемой толщины покрытия процесс алитирования рекомендуется проводить при температурах ~ 1000^оС. Внешняя зона покрытий, сформированных в смесях со средней активностью, имеет концентрацию алюминия 30…36%.

Смеси с низкой активностью составляются, как правило, на основе сплавов Al-Fe, Al-Cr, Al-Ni, Al-Si и др. Исходное содержание алюминия в таких смесях £ 40%. Процесс формирования покрытия в смесях с низкой активностью проводится при температурах ~ 1100…1200^оС. Концентрация алюминия во внешней зоне покрытия в этом случае не превышает 30%. В то же время высокое содержание в смеси второго компонента (хрома, железа, никеля, кремния и др.) обусловливает легирование покрытия этими элементами, что приводит к возрастанию защитных свойств подобных алюминидных покрытий.

В России и за рубежом известно достаточно большое количество различных смесей, используемых для получения алюминидных покрытий на деталях из жаропрочных сплавов. Некоторые составы насыщающих смесей, используемые в авиационной отрасли и в энергомашиностроении, представлены в работах [1, 6, 7]. Ко всем насыщающим смесям предъявляют единые требования. Они должны обеспечивать стабильное получение покрытий с необходимым составом и толщиной, возможность многократного использования при стабильном качестве покрытий, сохранение исходного класса чистоты поверхности насыщаемых лопаток. Решение поставленных задач осуществляется: а) правильным подбором насыщающей смеси, температуры процесса и времени выдержки; б) жестко регламентированной подготовкой всех составляющих смеси; в) точным исполнением технологии подготовки поверхности лопаток под нанесение покрытия, включая очистку от оксидов и загрязнений путем обдувки электрокорундом и обезжириванием в органических растворителях; г) равномерным расположением лопаток в контейнере для насыщения; д) соблюдением регламента по замене насыщающей смеси или дополнению в отработанную смесь некоторого количества смеси исходного состава.

Порошковый способ получения покрытия на лопатках ГТД является достаточно простым, не требует сложных приспособлений и оборудования, позволяет получать высококачественные, равномерные покрытия без пор и отслаиваний, в том числе на деталях достаточно сложной конфигурации.

К недостаткам, которыми обладает порошковый метод, следует отнести высокую трудоемкость процесса и сложность его механизации, сложность предохранения определенных поверхностей от насыщения (например, замка лопатки турбины), засорение каналов охлаждения лопаток насыщающей смесью, медленное охлаждение деталей после насыщения из-за низкой теплопроводности порошковой смеси.

Шликерный метод состоит в том, что материал для покрытия на поверхность лопаток наносится в виде шликера – концентрированной суспензии порошков металлов, оксидов или других соединений, а затем обжигается при высокой температуре. Шликер приготавливают из порошков насыщающих элементов – Al, Al-Si, Al-Cr и др. с размером частиц £ 40 мкм (активная металлическая составляющая шликера) и органического связующего. В качестве органического связующего применяют раствор коллоксилина в амилацетате, раствор коллодия в бутилацетате, n -ксилол и полистирол и др. В любом случае связующий раствор должен обеспечивать поддержание металлической составляющей во взвешенном состоянии, быстро высыхать, обеспечивать равномерность слоя на насыщаемой поверхности, обладать необходимой технологической прочностью, обеспечивать нанесение шликера окунанием, окраской кистью, пульверизацией, в процессе высокотемпературного отжига достаточно полно выгорать или улетучиваться и не оказывать вредного воздействия на сплав и формирующееся покрытие.

Формирование покрытия в данном случае происходит через ряд стадий, обусловленных различной температурой процесса. Так, при нагреве деталей до 200°С начинается процесс активного разложения органического связующего, что, согласно данным работы [7], приводит к снижению массы нанесенной суспензии и уменьшению содержания в ней углерода и азота. Нагрев до температуры ~ 650°С приводит к полному удалению оставшихся органических фракций. При этом за счет сил поверхностного натяжения частицы порошка сближаются и частично заполняют объем выгоревшей органики. В данном случае происходит уплотнение активной составляющей, что обеспечивает требуемый металлический контакт между частицами и насыщаемой поверхностью для последующего формирования покрытия.

При достижении в печи температуры, близкой к температуре плавления алюминия, активная составляющая шликера расплавляется и растекается по насыщаемой поверхности. Жидкая фаза состоит из эвтектики Al-NiAl ₃, которая способствует растворению твердых частиц и адсорбции насыщающих элементов по всей поверхности сплава. Процесс растворения твердой фазы в жидкой прекращается при достижении в расплаве такой концентрации элементов, при которой возможно образование твердых тугоплавких соединений. Такие соединения зарождаются на границе металл-расплав и со временем происходит кристаллизация всего объема жидкой фазы. При дальнейшей выдержке деталей в печи диффузионные процессы продолжаются уже в твердой фазе, хотя и с меньшей скоростью. Как указывается в работе [7], образование диффузионного покрытия шликерным методом происходит в течение 10–15 мин высокотемпературного отжига, а дальнейшая выдержка необходима для формирования требуемой толщины и структуры покрытия.

Шликерный метод обладает существенными достоинствами: а) возможность местного нанесения покрытий на часть детали, например при ремонте лопаток; б) высокая технологичность процесса; в) возможность сравнительно простого получения сложных многокомпонентных покрытий; г) возможность совмещения процесса нанесения покрытия с восстановлением перегретой структуры деталей в процессе эксплуатации путем подбора соответствующего режима термической обработки; д) достаточная экономичность метода.

Несмотря на очевидные преимущества, шликерный метод обладает рядом технологических и других недостатков: а) трудность обеспечения равномерных по толщине диффузионных слоев; б) невозможность покрыть внутренние поверхности полых деталей; в) необходимость использования высокодисперсных порошков для получения развитой поверхности; г) сильная зависимость качества покрытия от квалификации оператора; д) наличие несплошностей и засоров, возникающих во время сушки и выгорания органической составляющей шликера.

Газово-циркуляционный метод нанесения жаростойких алюминидных покрытий основан на явлении переноса диффундирующих элементов в замкнутом объеме при систематическом восстановлении газа-переносчика в результате обратимых химических реакций. Для осуществления процесса алитирования в хлоридной или иодидной среде ведущими реакциями, ответственными за процесс, будут обратимые реакции диспропорционирования, генерирующие атомарный алюминий:

2 AlCl « AlCl 3 + Al;	(7)
AlCl 2« AlCl 3 + Al;	(8)
2 AlJ « AlJ 3 + Al.	(9)

В случае выполнения процесса хромалитирования в иодидной среде генерирование алюминия осуществляется по реакции диспропорционирования (9), а образование атомарного хрома возможно в результате термической диссоциации иодида хрома:

Как правило, в рабочей камере установки предусматривается раздельное расположение деталей и материала, содержащего диффундирующий элемент, и организация циркулирующего газового потока, содержащего галогениды диффундирующих элементов. В этом случае имеется возможность повышения температуры испарения насыщающей смеси. В то же время поверхность деталей будет несколько ниже, что создает благоприятные условия для конденсации паров и формирования осадка. Структура осадка и прочность сцепления с подложкой в значительной мере зависят от температуры и давления газового потока. При невысокой температуре образуются мелкозернистые осадки со слабым сцеплением с подложкой, а при более высокой температуре наблюдается формирование крупнокристаллических осадков с хорошим сцеплением с подложкой. При очень высоких температурах формирующееся соединение может быть малостабильным. В этом случае образуются порошкообразные и плохо сцепленные с основой осадки. Для устранения такого эффекта необходимо снизить температуру, либо снизить давление газовой среды.

К преимуществам газово-циркуляционного метода можно отнести следующие: а) высокая производительность процесса; б) получение диффузионных покрытий на деталях сложного профиля, например, на внутренних поверхностях лопаток без засора каналов и отверстий охлаждения; в) покрытия характеризуются «нулевой» пористостью и абсолютной прочностью сцепления, так как такие покрытия представляют собой поверхностно легированную диффузионную зону; г) метод характеризуется значительной экономией электроэнергии и исходных материалов по сравнению с порошковым методом; д) метод обладает высокой экологичностью.

Недостаткам данного метода является технологическая сложность полного предотвращения конденсации коррозионно-активных галогенидов металлов на «холодных» частях газовой системы установки (трубопроводах, вентилях и др.), трудность полной эвакуации отработанных газов, а также зависимость толщины образующегося покрытия от положения насыщаемой поверхности по отношению к направлению движения потока галогенидов.

Поиск по сайту: