Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ УЧАСТКОВ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ

Настоящее изобретение относится к химико-термической обработке деталей из стали и сплавов и может быть использовано в авиакосмической технике, энергомашиностроении, электротехнике и других отраслях промышленности в случаях, когда требуется получение жаростойких или коррозионно-стойких защитных покрытий только на отдельных участках поверхности детали, например на рабочих поверхностях, а нанесение защитных покрытий на остальные участки поверхности детали не допускается.

Известен способ защиты замков лопаток при нанесении на них защитных диффузионных покрытий, включающий применение композиций определенных составов для защиты участков поверхности детали, т.е. для получения маскирующих покрытий (патент США № 4617202, МКИ 4 С 23 С 11/00, опубл. 1986 - аналог).

В соответствии с данным способом маскирующие покрытия получают путем многократного смачивания замков лопаток в растворах указанных композиций.

Использование данного способа приводит к усложнению процесса защиты участков поверхности лопатки при последующем нанесении покрытия, ухудшению его надежности и качества, так как маскирующее покрытие должно быть химически нейтрально по отношению к защищаемой поверхности, структура и химический состав поверхности лопатки должны оставаться без изменений, а при данной технологии реализовать данные условия очень трудно. Кроме того, применение многокомпонентных (двойных или тройных) составов вызывает образование слоистых осадков на замках и требует введения операции их специальной очистки, т.е. дополнительной обработки.

Известен способ защиты участков поверхности детали от насыщения при последующем нанесении покрытий, включающий применение защитной (маскирующей) порошковой смеси (патент Великобритании № 2210387, МКИ 4 С 23 С 10/04, С 23 С 10/08, опубл. 07.06.1989 - прототип).

В соответствии с известным способом замки лопаток помещают в металлические экранирующие устройства и засыпают порошковой смесью, содержащей, например, никель и окись алюминия.

Недостатком данного изобретения является то, что при использовании порошковых смесей, как правило, происходит их смешивание в процессе последующего нанесения покрытий с насыщающими смесями. Технологически довольно сложно обеспечить герметичность экранирующего устройства, в которое помещают, например, замки лопаток, а ее отсутствие приводит к несплошности защиты замков лопаток. Кроме того, возможно попадание защитной (маскирующей) смеси на рабочие, т.е. подлежащие в дальнейшем нанесению покрытия, участки поверхности лопаток, что вызывает образование на них локальных участков, не содержащих покрытия или дефектных слоев.

Защита определенных участков поверхности детали от последующего нанесения на нее покрытия (т.е. последующего алитирования, хромоалитирования и т.д.) может использоваться для деталей любых размеров и форм, однако наиболее актуальна она для таких деталей, у которых не допускается изменение геометрических размеров, иногда составляющих несколько микрон, структурного состояния поверхности, химического состава и т.д., т.е. на определенной поверхности данной детали не допускается наличие какого-либо покрытия. Такими деталями являются, например, турбинные лопатки, которые в силу специфики своей работы должны иметь жаростойкое покрытий на пере, но к размерам ее замка, например типа “елочка”, предъявляются очень жесткие требования.

Нанесение покрытий на турбинные лопатки без предварительной защиты определенных участков ее поверхности, как правило, осуществляется в следующей последовательности:

- изготовление лопатки с окончательными размерами по перу и с припуском на механическую обработку по замку;

- нанесение покрытия;

- механическая обработка замка.

При механической обработке проводится съем слоя металла с нанесенным покрытием. Для снятия внутренних напряжений после механической обработки необходимо проведение термообработки. Недостатками данного процесса являются возможность повреждения уже нанесенного покрытия при проведении механической обработки, загрязнение покрытия, высокая трудоемкость, невозможность ремонта лопаток и т.д.

Из вышеизложенного следует, что для получения работоспособной детали операция нанесения на нее покрытия должна быть при ее изготовлении или ремонте, как правило, завершающей. Данная задача может быть решена путем защиты поверхности замка лопатки перед нанесением на лопатку покрытия, причем для обеспечения работоспособности детали защитные составы должны соответствовать целому ряду требований:

1) защитный состав не должен повреждать защищаемую поверхность и под ним не должны образовываться диффузионные или любые другие покрытия;

2) защитный состав должен быть химически нейтрален по отношению к защищаемой поверхности;

3) защитный состав не должен растрескиваться и скалываться во время нанесения покрытия во избежание попадания насыщающей среды на защищаемую поверхность;

4) защитный состав не должен засорять насыщающие смеси (при порошковом методе), газовые среды ( при циркуляционном методе), суспензии (при шликерном методе) и т.д.;

5) защитный состав должен легко удаляться с поверхности детали после операции нанесения покрытия;

6) защитный состав должен обеспечивать надежность и стабильность защиты выбранного участка поверхности детали.

Анализ известных способов, предназначенных для решения данной задачи показал, что ни один из них в полной мере не удовлетворяет перечисленным требованиям.

Так, например, в результате анализа изобретения, изложенного в патенте Великобритании № 2210387 (прототип), установлено, что при его реализации не выполняются технические требования по пп.1, 2, 4, 6; анализ способа защиты в соответствии с патентом США № 4617202 (аналог) показывает, что в данном случае не обеспечиваются пп.1, 2, 3, 6, что соответственно приводит к низкой эффективности защиты выбранных участков поверхности детали и возможному получению в дальнейшем после нанесения покрытия неработоспособных деталей.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности защиты выбранных участков поверхности детали при последующем нанесении на нее покрытия.

Указанная задача решается тем, что в способе защиты участков поверхности детали часть поверхности детали, не предназначенную для нанесения на нее покрытия, защищают составом, содержащим активный компонент - никель и инертный компонент - окись алюминия, после чего осуществляют сушку детали, причем в качестве защитного состава используют пасту, состоящую из смеси порошков и связующего вещества, в качестве активного компонента смеси порошков дополнительно используют металл из группы - железо, кобальт или сплавы на основе активных компонентов, причем активные компоненты используют в количестве 5-80% от общей массы смеси порошков, в качестве инертного компонента дополнительно используют окись магния, инертные компоненты используют в количестве 95-20% от общей массы смеси порошков, а соотношение общей массы смеси порошков и связующего вещества определяется из выражения 0,5≤ m см. пор./m связ. в-ва ≤ 10, где m см. пор. - общая масса смеси порошков активного и инертного компонентов, m связ. - масса связующего вещества.

Сушку детали можно осуществлять при температуре 20° С≤ Т≤ 350° С.

В качестве связующего вещества возможно использование смеси следующего состава: - коллоксилин - 1 часть, амилацетат - 3 части, диэтилоксалат - 1 часть.

Для получения защитной пасты смесь порошков, составленную из активного и инертного компонентов, смешивают со связующим веществом, причем количественное соотношение всех компонентов должно соответствовать приведенным в формуле изобретения, и запрессовывают любым известным методом в устройство, позволяющее реализовать данный способ и выполненное, например, в виде сборно-разборного металлического ящика с отверстиями.

Основное назначение порошковых частиц активного компонента в пастах состоит в адсорбировании газообразных галогенидов элементов, принимающих участие в переносе этих элементов на поверхности деталей, подлежащих защите от газовой коррозии.

Соотношение общей массы смеси порошков и массы связующего вещества - 0,5≤ m см. пор./т связ. в-ва ≤ 10, обеспечивает однородность заполнения устройства защитной пастой и возможность плотного соприкосновения как с внутренней поверхностью устройства, так и с защищаемой частью детали, что препятствует доступу насыщающих сред, например, газовых хлоридных при алитировании или хромоалитировании, порошковых смесей при хромоалитировании и т.д., к защищаемой части поверхности детали.

В качестве насыщающих сред обычно применяют газообразные галогениды при газовом алитировании, например АlСl₃. При взаимодействии с раплавленным алюминием образуются АlСl₂ и АlСl, которые участвуют в переносе алюминия на поверхность детали

3АlСl₂→_Аl+2АlСl3

3АlСl→ 2Аl+АlСl₃

Назначение порошковой составляющей состоит в предотвращении контакта молекул переносчиков алюминия АlСl₂ и АlСl с частью поверхности детали, не подлежащей насыщению. Изоляция поверхностей достигается как механически, например корпусом приспособления, частицами защитной пасты и т.д., так и химически, например протеканием химических транспортных реакций на поверхности частиц активного компонента, вводимого в пасту.

Введение в защитную пасту активного компонента смеси порошков в количестве 5-80% от общей массы смеси порошков обусловлено тем, что на поверхности частиц активного компонента, например никеля, кобальта, железа или сплавов на их основе, происходит адсорбция молекул галогенидов, например алюминия при алитировании или хромоалитировании. Такими молекулами могут быть АlСl₃, АlСl₂, АlСl. После адсорбции на поверхности частиц протекает реакция диспропорционирования, например 3АlСl₂→_{Аl конд.+2АlСl3. Осажденный таким образом алюминий взаимодействует с частицей никеля Al+Ni→ NiAl, образуя соединение с высокой температурой плавления. Таким образом, частицы никеля задерживают поступление насыщающего вещества, алюминия к части поверхности детали, не подлежащей последующему нанесению покрытия.}

Введение в защитную пасту инерционного компонента смеси порошков в количестве 95-20% от общей массы смеси порошков обусловлено тем, что металлические частицы спекаются при выполнении операций диффузионного насыщения поверхности деталей и прикрепляются к части поверхности детали, защищаемой от насыщения, при дальнейшем нанесении покрытия. Инертная составляющая порошковой смеси предотвращает спекание металлических частиц, например никеля, кобальта, железа или сплавов на их основе, и обеспечивает необходимую рыхлость порошковой смеси, технологичность при разборке и демонтаже приспособления, реализующего данный способ, а также обеспечивает низкую шероховатость поверхности деталей после завершения операций диффузионного насыщения.

После запрессовки пасты производят сушку деталей в сборе. Температура процесса может зависеть от характеристик применяемого связующего вещества таким образом, чтобы обеспечить испарение летучих фракций в процессе сушки при одновременном исключении диссоциации или окисления связующего компонента кислородом воздуха в процессе сушки.

Это обеспечивает необходимую адгезию частиц и обеспечивает плотный контакт частиц между собой и с частью поверхности детали, защищаемой от насыщения.

После этого деталь, расположенную в защитном устройстве, подвергают процессу нанесения покрытия, после чего ее в сборе с защитным устройством опускают в емкость, например с водой, защитное устройство разбирают и очищают детали, например, волосяной щеткой.

Пример.

Замки лопаток газовой турбины изготовленные из жаропрочного сплава ЖС6У (Ni - основа; Cr - 9%; Al - 5,5%; Ti - 2,5%; W - 10,5%; Мо - 2,0%; Со - 10,0%; Nb - 1,0%; Zr - 0,04%; В - 0,025%; Y - 0,01%), устанавливались в устройство, представляющее собой сборно-разборную конструкцию с выполненными в ней отверстиями и изготовленную из никелевого сплава. Через выполненные в устройстве отверстия запрессовывали пасту, приготовленную из следующих компонентов: порошок никеля дисперсностью 10-100 мкм - 20%, порошок окиси алюминия (Аl₂O₃) дисперсностью 10-100 мкм -80%. В качестве связующего вещества использовали дистиллированную воду в количестве 0,4 миллилитра на каждый грамм порошковой массы. Затем устройство в сборе с деталью и запрессованной пастой нагревали до температуры 150° С в течение 1 часа для полного удаления из смеси воды. После сушки деталь в сборе загружали в установку для проведения процесса газового алитирования, которое проводили при температуре 1000° С. После процесса алитирования детали помещали в ванну с водой при температуре 20° С для смачивания защитного состава, а затем разбирали устройство. Замки лопаток очищали волосяной щеткой.

По результатам технического контроля было установлено, что замки имели светлую поверхность, не содержали покрытия и не имели структурных изменений в поверхностном слое металла, т.е. соответствовали всем требованиям технического контроля, предъявляемого к турбинным лопаткам, что позволило сделать вывод о соответствии защитного состава всем техническим требования и, следовательно, о достижении заявляемого технического результата.