Способ обработки газотермических композиционных покрытий

(51)23 4/18, 4/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Ильющенко Александр Федорович Шевцов Александр Иванович Асташинский Валентин Миронович Оковитый Вячеслав Александрович Буйкус Кястас Вито(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56) Волошин М.Н., Гасин Д.А., Ищенко Е.С. Повышение долговечности турбинных лопаток методом импульсно-плазменной обработки // Физика и химия обработки материалов. - 1995. -3. С.62-66.20010081, 2002.2115763 1, 1998.2105826 1, 1998.2042738 1, 1995.61159566 , 1986.55018575 , 1980.6340960 , 1994.5576069 , 1996.6197386 1, 2001.(57) Способ обработки газотермических композиционных покрытий, включающий их импульсно-плазменную обработку с оплавлением и уплотнением, отличающийся тем, что обработку осуществляют послойно высокотемпературными компрессионными плазменными потоками длительностью 200-500 мкс с различными уровнями энергии, возрастающими при обработке от верхнего слоя покрытия к слою покрытия, граничащего с подложкой, при уменьшении дистанции обработки с концентрацией выделяемой энергии при импульсноплазменной обработке, достаточной для возможности нагрева соответствующего слоя покрытия до температуры плавления элементов композиционных материалов. 8478 1 2006.10.30 Изобретение относится к нанесению покрытий напылением, в частности к упрочняющей обработке износостойких композиционных газотермических покрытий. Известен способ обработки металлизационных покрытий из самофлюсующихся сплавов путем оплавления 60-85 площади покрытия при чередовании оплавленных и неоплавленных участков 1. Известен также способ нанесения твердых покрытий, заключающийся в том, что насыщение карбидообразующими элементами осуществляют импульсами плазмы, в которую вводят легирующие элементы при пропускании электрического тока плотностью 2000-8000 А/см 2 через плазму и ударно-сжатый слой, который создают на рабочей поверхности изделия преимущественно изи С. Насыщение осуществляют 5-10 импульсами плазмы только рабочих поверхностей изделия. Плазма содержит карбиды и металлы 4, 5 и 6 групп таблицы Менделеева. После каждого импульса насыщения рабочую поверхность обдувают охлажденным газом, преимущественно азотом. Ударносжатый слой формируют струей газа, которую подают перпендикулярно к рабочей поверхности со скоростью 3-8 км/с 2. Еще известен способ модификации поверхности термозащитного барьерного покрытия с применением плазменного нагрева, заключающийся в том, что для получения гладкого защитного покрытия на металлических подложках сначала на подложку в плазме напыляют термозащитное барьерное покрытие, после чего нагревают это покрытие в плазме в соответствии с таким планом распределения температуры в зависимости от времени, чтобы оплавить поверхностную область покрытия до растекания материала и сглаживания поверхности покрытия 3. В качестве прототипа выбран способ послойной импульсно-плазменной обработки газотермических покрытий путем воздействия на них высокотемпературными компрессионными импульсами длительностью 200-500 мкс с постоянным уровнем энергетического воздействия при фиксированной дистанции обработки 4. Однако прочность сцепления полученного покрытия, являющаяся важным фактором его работоспособности, невысокая вследствие улучшения теплоотвода через сужающуюся пористую, неоплавленную граничную зону и ухудшения условий концентрации тепловой энергии в граничных с подложкой слоях покрытия. Задача изобретения - повышение качества нанесенного покрытия. Технический результат выражается в повышении прочности сцепления покрытия с подложкой. Поставленная задача решается тем, что в способе обработки газотермических композиционных покрытий, включающем их импульсно-плазменную обработку с оплавлением и уплотнением, обработку осуществляют послойно высокотемпературными компрессионными плазменными потоками длительностью 200-500 мкс с различными уровнями энергии, возрастающими при обработке от верхнего слоя покрытия к слою покрытия,граничащего с подложкой, при уменьшении дистанции обработки с концентрацией выделяемой энергии при импульсно-плазменной обработке, достаточной для возможности нагрева соответствующего слоя покрытия до температуры плавления элементов композиционных материалов. Обработку напыленного покрытия осуществляют следующим образом. Высокотемпературные компрессионные импульсы плазменной струи, устойчиво существующие в течение квазистационарной стадии разряда длительностью около 200 мкс,от квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ) направляют на напыленное покрытие. При кратковременных воздействиях импульсов с высоким уровнем их локализации и концентрации выделяемой энергии тонкие слои напыленных материалов нагреваются до температуры, которая больше температуры плавления элементов композиционных покрытий. Первый импульс оплавляет тонкий поверхностный слой. При повторном импульсе 2 8478 1 2006.10.30 теплопередача через этот слой облегчается, тепловая энергия концентрируется в следующем по толщине покрытия слое, который в свою очередь оплавляется, и так далее до полного оплавления покрытия. Поверхностные слои покрытий обрабатывают импульсами плазменной струи (для покрытий -5032 дистанция обработки и количество импульсов составляют соответственно 0,13 м и 8 воздействий, для покрытий 12,5255,12,5255 - 0,11 м и 7 воздействий). Оптимальная дистанция импульсно-плазменной обработки граничных с подложкой слоев находится в пределах 0,07-0,08 м. Необходимое и достаточное количество импульсов для полной обработки граничных слоев покрытий составляет 6 воздействий. Показателем, характеризующим адгезионную прочность, служит деформация изгиба,при которой происходит разрушение покрытия с возникновением в нем трещин. Испытание основано на следующих теоретических предпосылках. При изгибе стального пластинчатого образца (40103 мм, напыленный материал толщиной 0,5-0,6 мм) покрытие и контактирующая с ним поверхность подложки подвергаются растяжению с различной степенью деформации. Покрытие стремится к сдвигу относительно поверхности подложки. При достижении критических касательных напряжений, соответствующих адгезионной прочности покрытия на сдвиг, происходит разрушение контакта между напыленным материалом и подложкой. Покрытие, отделенное от подложки, не выдерживает растягивающих напряжений и разрушается с возникновением трещин. Указанная методика испытаний реализуется на установке 1195. При этом возрастание деформации изгиба пластинчатого образца с увеличением нагрузки фиксируется записывающим прибором установки с построением графической зависимости. По характерной точке экспериментальной кривой, соответствующей увеличению скорости возрастания деформации, судят о начале процесса разрушения покрытия с возникновением в нем трещины. Зависимости между деформацией изгиба и нагрузкой на образец обработанных композиционных покрытий по способу-прототипу и предлагаемому способу представлены на графике 1, 2, 3 - газотермические покрытия 12,5255,12,5255, -5032, обработанные при постоянных импульсах 5, 4, 6 - покрытия в той же последовательности, обработанные импульсами с различной концентрацией энергии (при ужесточении режима для граничных слоев). В соответствии с графиком кривые увеличения изгиба для покрытий 12,5255,12,5255, -5032, обработанных при постоянных импульсах (зависимости 1-3), имеют характерные точки с координатами (0,8 мм 1800 Н), (0,82 мм 1990 Н), (0,85 мм 2100 Н). Аналогичные кривые для покрытий в указанной последовательности, послойно обработанных импульсами плазменных потоков с различной концентрацией энергии при ужесточении режима для граничных слоев (зависимости 5, 4, 6), имеют характерные точки с координатами (0,92 мм 2250 Н), (0,89 мм 2200 Н), (0,96 мм 2350 Н). Таким образом, ужесточение режима для граничных слоев вызывает увеличение критических деформаций изгиба образцов,при которых исследуемые композиционные покрытия отделяются от подложки и разрушаются с возникновением трещин. Для покрытий 12,5255,12,5255, -5032 увеличение критических деформаций соответственно составляет 0,12 мм, 0,07 мм и 0,11 мм. Увеличение критических деформаций свидетельствует о возрастании прочности сцепления покрытий, обработанных импульсами плазменных потоков с различной концентрацией энергии (при ужесточении режима для граничных слоев), в сравнении с обработкой при постоянных импульсах. Таким образом, обработка покрытий импульсами плазменных потоков с различной концентрацией энергии компенсирует ухудшение условий концентрации тепловой энергии в граничных с подложкой слоях покрытия за счет возрастания уровня энергетиче 3 8478 1 2006.10.30 ских воздействий, увеличивая степень оплавления и уплотнения граничных слоев с повышением прочности сцепления покрытий, что ведет к повышению качества нанесенного покрытия. Источники информации 1. А.с. СССР 645984, МПК С 23 С 7/00, 1979. 2. Патент 2197556, МПК С 23 С 4/10, 2003. 3. Патент 3103315, МПК С 23 С 4/18, 1998. 4. Волошин М.Н., Гасин Д.А., Ищенко Е.С. Повышение долговечности турбинных лопаток методом импульсно-плазменной обработки // Физика и химия обработки материалов. - 1995. -3. - С. 62-66. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4