Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТОГО ТРУБНОГО КАТОДА ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для получения трубных катодов из алюминиевых сплавов, используемых при вакуумно-дуговом или магнетронном испарении и нанесении ионно-плазменных защитных покрытий на лопатки авиационных и промышленных газотурбинных двигателей и установок.

Известен способ получения литых качественных катодов или мишеней из сплавов на основе никеля и кобальта для процесса вакуумно-дугового нанесения покрытий (ЕР 1111086).

Согласно известному способу катод получают путем изготовления слитка из материала катода одним из известных способов, например, вакуумно-индукционной плавкой, и последующего электронно-лучевого плавления слитка, рафинирования расплава с последующей заливкой расплава в охлаждаемый кристаллизатор с подвижным подом. Таким способом удается получать заготовки катодов в виде цилиндрических прутков.

Недостатками известного способа являются многостадийность технологии изготовления катода и большая трудоемкость процесса его получения, а также то, что известный способ позволяет получать катоды из сплавов на основе никеля или кобальта.

Известны также способы получения литых катодов, где для получения слитка используется многолучевой нагрев расплавляемого слитка и кристаллизатора (патент США № 4838340), или используется многолучевой нагрев и промежуточный лоток для плавки и рафинирования сплава или промежуточная воронка (патенты США №№ 4838340, 4588729, 4190404).

Недостатками известных способов являются сложность технологии изготовления слитков из сплавов на основе алюминия и большая трудоемкость процесса его получения, а также высокая стоимость получаемых слитков.

Известен также способ изготовления полой катодной мишени, включающий получение заготовки, содержащей тантал, ниобий или их сплавы, поперечную холодную прокатку заготовки и проведение холодной обработки прокатанной заготовки для получения фасонной заготовки (патент РФ № 2261288).

Однако этот способ не позволяет получать методом холодной прокатки трубные изделия из хрупких алюминиевых сплавов для покрытий, а также большая трудоемкость процесса являются его недостатками.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ получения литых трубных изделий из сплава на основе кремния с содержанием алюминия (5-50)%, включающий размещение шихтовых материалов и предварительно нагретой литейной формы в вакуумно-индукционной печи, нагрев и плавку шихтовых материалов, заливку расплава в литейную форму через воронку, охлаждение формы с отливкой, удаление литейной формы и механическую обработку отливки для получения катода, нанесение припоя на внутреннюю поверхность катода и пайку катода к охлаждаемой оправке. Литейная графитовая форма состоит из сплошного графитового цилиндрического стержня и внешнего трубного кокиля, причем внутренний цилиндрический стержень и внешний трубный кокиль графитовой формы удаляют гидравлическим прессом (заявка США № 2005/0092455).

Известный способ позволяет получать качественные трубные катоды или мишени из сплавов на основе кремния. В известном способе используется сплошной цилиндрический стержень из литейного графита, что позволяет получать литые трубные изделия из сплавов на основе кремния, так как эти сплавы имеют коэффициент линейного термического расширения (КТР), очень близкий к графиту. Однако известный способ не позволяет получать трубные катоды из алюминиевых сплавов, так как при кристаллизации полых отливок за счет усадки металла происходит сжатие внутреннего стержня заливочной формы, что приводит к образованию горячих продольных трещин в отливках из алюминиевых сплавов за счет низкой податливости внутреннего стержня формы.

Недостатком известного способа является невозможность получения литых трубных катодов высокого качества из алюминиевых сплавов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения качественных трубных катодов из сплавов на основе алюминия с плотностью не менее 98% для процесса ионно-плазменного нанесения жаростойких диффузионных покрытий.

Для достижения технической задачи предложен способ получения литого трубного катода из сплавов на основе алюминия для ионно-плазменного нанесения покрытий, включающий плавление сплава из шихты в вакууме, заливку расплава в вакууме в предварительно нагретую литейную форму, охлаждение литейной формы с отливкой, удаление отливки из формы, ее механическую обработку, нанесение припоя на внутреннюю поверхность катода и пайку катода с охлаждаемой оправкой, отличающийся тем, что осуществляют плавление алюминиевого сплава из шихты, включающей алюминий и один или несколько элементов, выбранных из ряда, состоящего из кремния, иттрия, никеля, кобальта, хрома, бора или лигатуры на их основе, при этом плавку и заливку предварительно нагретой литейной формы осуществляют в вакуумно-индукционной печи, в процессе плавки проводят электромагнитное перемешивание и рафинирование расплава со скоростью 6-20 кг/мин в графитовую форму с заливочной чашей и цилиндрическим трубным стержнем или металлический разъемный кокиль с цилиндрическим трубным стержнем.

Цилиндрический трубный стержень выполняют из песчано-глиняной смеси или из литейного графита.

Заливку литейной формы проводят при температуре расплава 710-850°С.

Наряду с шихтовыми материалами используют до 60% литейных отходов сплава.

Использование в качестве шихтовых материалов алюминия и одного или нескольких элементов из ряда: кремний, иттрий, никель, кобальт, хром, бор или лигатуры на их основе, позволяет расширить номенклатуру литых трубных катодов из сплавов на основе алюминия и получать качественные катоды, которые можно использовать в установках для нанесения ионно-плазменных жаростойких диффузионных алюминидных покрытий различного назначения (для защиты от высоких температур, для защиты от сульфидной коррозии, для защиты от солевой коррозии и др.).

Использование в качестве литейной формы графитовой формы с заливочной чашей и цилиндрическим трубным стержнем или металлического разъемного кокиля с цилиндрическим трубным стержнем позволяет повысить податливость этого стержня, что обеспечивает получение цилиндрических трубных металлических отливок из сплавов на основе алюминия различного состава, так как при кристаллизации расплава и последующем охлаждении отливки и ее термической усадки имеет место разрушение внутреннего цилиндрического стержня литейной формы. Это в свою очередь предохраняет от образования горячих трещин на внутренней поверхности отливки из сплавов на основе алюминия, имеющих температурный коэффициент линейного расширения свыше 20·10^-6 1/град. При этом с целью снижения взаимодействия жидкого расплава с материалом формы для литья трубных катодов используют либо форму из литейного графита, либо разъемный металлический (чугунный) кокиль с цилиндрическим трубным стержнем из литейного графита или из песчано-глиняной смеси. Причем, вместо заливочной воронки, располагаемой над литейной формой, как используется в прототипе, используют заливочную чашу, завершающую литейную форму и выполняющую частично роль прибыльной части отливки, что позволяет для графитовых литейных форм уменьшить прибыльную часть по высоте отливки с (20-25)% как в известном способе до (10-12)%, обеспечивает увеличение КИМ шихтовых материалов и способствует получению катодов с плотностью не менее 98%.

Рафинирование расплава в вакууме, электромагнитное перемешивание расплава, заливка расплава в предварительно нагретую литейную форму при скоростях от 6 до 20 кг/мин обеспечивает высокое качество литых трубных катодов - высокую однородность сплава катода (минимальная ликвация по высоте катода), минимальную его пористость (<2%) при минимальном газосодержании (<0,02% по мас.). Использование при вакуумно-индукционной плавке до 60% литейных отходов обеспечивает увеличение коэффициента использования металла (КИМ) и не влияет на качество катодов благодаря рафинированию расплава в процессе плавки.

Предварительный нагрев литейной формы и заливка литейной формы расплавом при скоростях от 6 до 20 кг/мин способствует получению качественной отливки. При скоростях заливки меньше 6 кг/мин на отливках могут образоваться дефекты в виде «непропая», обусловленные быстрой кристаллизацией на стенках формы струй металла с окислением их поверхности, что при продолжающейся заливке формы не позволяет получить металлургическую связь между основной отливкой и закристаллизовавшимися струйками первичного металла на внутренней поверхности литейной формы. Максимально возможная скорость заливки 20 кг/мин для алюминиевых сплавов определяется пропускной возможностью литейной формы.

Для формы из литейного графита или металлического разъемного кокиля в качестве цилиндрического трубного стержня (формообразующего элемента внутренней полости трубного изделия) используют стержень, выполненный из песчано-глиняной смеси, или стержень из литейного графита с толщиной стенки 3-6 мм.

Для формирования качественной отливки из алюминиевых сплавов заливку формы в зависимости от конкретного состава сплава проводят в диапазоне температур расплава (710-850)°С, что обеспечивает оптимальный тепловой режим при кристаллизации отливки и формирование пористости и рыхлоты в заливочной чаше и в самой верхней части отливки.

Таким образом, предлагаемая совокупность отличительных признаков технического предложения позволит получать качественные трубные катоды с плотностью не менее 98% и минимальным газосодержанием из сплавов на основе алюминия для ионно-плазменного нанесения покрытий.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Для получения трубного катода из сплава на основе алюминия системы Al-5%Si-1,5%Y (мас.%) использовали чистый алюминий, кремний и лигатуру Al-Y и отходы сплавов. Шихтовые материалы и нагретую до 200°С графитовую форму с заливочной чашей и с цилиндрическим трубным стержнем размещали в вакуумно-индукционной печи. Графитовую форму перед нагревом собирали (внешний цилиндрический трубный кокиль и внутренний цилиндрический стержень устанавливали соосно на основании формы, сверху устанавливали заливочную чашу, которая обеспечивала по верхней части формы соосность трубного цилиндрического стержня к внешнему цилиндрическому кокилю, затем фиксировали заливочную чашу от осевого перемещения вверх). Затем начинали откачку воздуха из плавильной печи, и после достижения в печи вакуума 6-0,6 Па начинали процесс плавки.

После полного расплавления алюминия, кремния и отходов сплава и прекращения кипения металла, проводили первичное рафинирование металла при его электромагнитном перемешивании (ЭМП). Затем вводили в расплав с выдержкой лигатуру алюминий-иттрий и проводили ЭМП. Затем заливали расплав в графитовую оболочковую форму при скорости заливки 6 кг/мин и температуре расплава 710°С.

После охлаждения отливки удаляли литейную форму, производили отрезку прибыльной части отливки, проводили ее механическую обработку до получения трубного катода требуемых размеров и чистоты поверхности. Затем производили нанесение припоя на внутреннюю поверхность катода. Для этого проводили сначала контактное никелирование внутренней поверхности катода, затем проводили химическое снятие слоя никеля и осветление этой поверхности, затем последовательно проводили гальваническое меднение с толщиной слоя 15-18 мкм и лужение поверхности внутренней полости катода с толщиной слоя 30-50 мкм. Затем проводили пайку катода к предварительно луженой медной оправке. В таком виде катод может быть использован в установках для нанесения ионно-плазменных жаростойких покрытий диффузионного типа из сплавов на основе алюминия. Полученный литой катод имел плотность 98,6% при КИМ - 93,8%.

Пример 2. Пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что в качестве сплава катода использовали сплав на основе алюминия системы Al-Ni-Y. В качестве литейной формы использовали металлический разъемный кокиль с песчано-глиняным трубным цилиндрическим стержнем, и нагревали литейную форму до температуры 160°С. В вакуумно-индукционную печь помещали нагретую литейную форму, алюминий и отходы сплава Al-Ni-Y, и после их расплавления и первичного рафинирования давали присадку лигатуры Ni-10%Y, проводили выдержку расплава и проводили ЭМП. Затем проводили заливку расплава в литейную форму при скорости 13 кг/мин и температуре расплава 760°С. Полученный литой катод имел плотность 98,7% при КИМ - 94,3%.

Пример 3. Пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что в качестве сплава катода используется сплав на основе алюминия системы Al-Co-Si-Y. В вакуумно-индукционную печь помещали нагретую до 120°С литейную графитовую форму, кобальт в виде тонких пластин и алюминий (в чушках), и после выдержки расплава в течение 20 минут и ЭМП расплава давали присадку кремния и включали ЭМП. Затем давали присадку лигатуры Al-10%Y. Затем после повторного рафинирования расплава проводили заливку графитовой формы с песчано-глиняным стержнем при скорости заливки 20 кг/мин и температуре расплава 800°С. Полученный литой катод имел плотность 98,2% при КИМ - 94,6%.

Пример 4. Пример аналогичен примеру 1 и отличается тем, что в качестве сплава катода использовали сплав на основе алюминия системы Al-Cr-Ni-Y. В вакуумно-индукционную печь помещали литейную форму, предварительно нагретую до 200°С, никель в виде тонких пластин, алюминий (в чушках), хром и очищенные отходы сплава и после расплавления и рафинирования расплава давали присадку лигатуры Al-10%Y или Ni-10%Y, делали выдержку расплава в течение 20 минут, включали ЭМП, затем проводили заливку расплава в форму при скорости 20 кг/мин и температуре расплава 850°С. Полученный литой катод имел плотность 98,5% при КИМ - 94,5%.

Пример 5. Пример аналогичен примеру 2 и отличается тем, что в качестве сплава катода использовали сплав на основе алюминия системы Al-Si-Ni-B. В вакуумно-индукционную печь помещали литейную форму с металлическим разъемным кокилем и цилиндрическим трубным стержнем из литейного графита, предварительно нагретую до температуры 120°С, алюминий (в чушках), лигатуру Ni-10%B и отходы сплава Al-Si-Ni-B, и после выдержки и рафинирования расплава и ЭМП давали присадку кремния, проводили выдержку расплава в течение 25 минут, включали ЭМП, затем проводили заливку расплава в форму при скорости 15 кг/мин и температуре расплава 830°С. Полученный литой катод имел плотность 98,8% при КИМ - 94,8%.

Лабораторные исследования катодов, полученных в соответствии с предлагаемым техническим решением, показали, что новый способ позволяет получать катоды высокой плотности (свыше 98%) из сплавов на основе алюминия и высокой чистоты (сумма кислорода, азота и водорода в катодах из сплавов на основе алюминия составляет не более 0,02% по массе). Испытания охлаждаемых трубных катодов в установках для вакуумно-дугового испарения показали, что предлагаемый способ обеспечивает получение качественных диффузионных покрытий на лопатках ГТД.