Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО БЕСТОКОВОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО МЕТАЛЛА НА ДЕТАЛИ ИЗ НИКЕЛЯ ИЛИ НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА

Способ получения диффузионного бестокового покрытия на основе редкоземельного металла на детали из никеля или никелевого сплава

Область техники: металлургия, машиностроение, радиоэлектроника, химическая промышленность.

Изобретение относится к химико-термической обработке изделий из никеля с получением диффузионных покрытий на основе редкоземельных металлов (празеодим, неодим, гольмий, тербий) из эквимольного расплава хлоридов калия и натрия.

Соединения редкоземельных металлов (РЗМ) обладают рядом уникальных физических и химических свойств - электрическими, оптическими, магнитными, каталитическими, обладают жаропрочностью, жаростойкостью, износостойкостью.

Известны следующие способы получения покрытий.

Метод химического осаждения покрытий основан на гетерогенных химических реакциях в парогазовой среде, окружающей инструмент, в результате которых образуются покрытия. Исходными продуктами служат газообразные галогениды, при взаимодействии которых с другими составляющими смесей (водородом, аммиаком, окисью углерода и т.д.) образуется покрытие (Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиям [Текст] А.С. Верещака. - М.: Машиностроение, 1993, 28 с.).

Хорошо известны способы нанесения на жаропрочные сплавы алюминидных покрытий и покрытий системы Me-Cr-Al-Y: патенты США №№3542530; 3544348; 3918139; 3961098; 3928026; 3993454; 4000507; 4132816; 4034142, алюминидные покрытия, легированные благородными металлами Pt, Ro, Pd (патент США 3819338), способ защиты лопаток газовых турбин от высокотемпературной коррозии (патент РФ №2033474), включающий вакуумное осаждение двух слоев - сплава системы Ме-Cr-Al-Y и сплава на основе алюминия с последующим вакуумным отжигом. Способы диффузионных порошковых и через газовую фазу покрытий на основе интерметаллидов алюминия при достаточно высокой жаростойкости имеют пониженную стойкость к термическим напряжениям и коррозионную стойкость в агрессивных продуктах сгорания. Легированные благородными металлами покрытия дороги и экономически не всегда оправданы. Алюминидные покрытия также имеют высокую теплопроводность и недостаточно благоприятное соотношение коэффициентов линейного термического расширения с оксидными керамическими слоями.

Известен способ химико-термической обработки деталей из никелевых сплавов, в котором одновременное насыщение хромом, алюминием и кремнием осуществляется из шликера (патент US №6126758, МПК C23C 22/33, 03.10.2000).

Недостаток способа заключается в том, что значительное отличие в плотности компонентов сопровождается высокой неоднородностью их распределения в покрытии и, соответственно, неоднородностью защитных свойств покрытия.

Способ химико-термической обработки деталей из никелевых сплавов, заключающийся в насыщении деталей кобальтом и хромом в циркулирующей галогенидной среде с соотношением кобальта и хрома 20-85% масс. и 15-80% масс. соответственно при температуре более 900°C.

Общим недостатком данных способов является сложное технологическое оборудование, трудность контроля толщины покрытия и невозможность получения диффузионных покрытий.

Известен способ получения диффузионных покрытий электролизом расплавленных солей.

Электролизом солевых расплавов получены покрытия из вольфрама, молибдена, платиновых и драгоценных металлов (Илющенко Н.Г., Анфиногенов А.И., Шуров Н.И. Взаимодействие металлов в ионных расплавах [Текст] / Н.Г Илющенко, А.И. Анфиногенов, Н.И. Шуров. - М.: Наука, 1991, 176 с.).

Недостатком данного способа является трудность контроля толщины покрытия, т.к. часть осажденного металла может находиться в гальваническом слое, а не в диффузионном, а также использование металлических анодов, стоимость которых довольно значительна (Ляхович М.Г., Косачевский Л.М., Долманов Ф.В., Крукович М.Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов [Текст] / М.Г. Ляхович, Л.М. Косачевский, Ф.В. Долманов, М.Г. Крукович. - Минск: Изд. БГГИ, 1971, 164 с.).

Наиболее близким к заявленному является способ жидкостного насыщения поверхностей из никеля хромом, алюминием и кремнием. Способ позволяет дать практические рекомендации по выбору процессов насыщения вышеуказанных поверхностей в ионных расплавах и рассчитать интенсивность протекания этих процессов. Согласно этому механизму образуются гальванические пары, в которых катодный процесс образования активных атомов протекает на поверхности подложки (никель), а анодный на поверхности восстановителя, т.е. металла с более электроотрицательным потенциалом (редкоземельным). В литературе такой процесс принято называть бестоковым переносом (Илющенко Н.Г., Анфиногенов А.И., Шуров Н.И. Взаимодействие металлов в ионных расплавах [Текст] Н.Г. Илющенко, А.И. Анфиногенов, Н.И. Шуров. - М.: Наука, 1991, 176 с.).

Недостатком данного способа является использование чистого металла, стоимость которого примерно в 15-20 раз выше, чем стоимость соответствующих хлоридных солей.

Целью настоящего изобретения является создание диффузионных жаростойких и коррозионно-стойких покрытий с использованием солей редкоземельных металлов посредством химико-термической обработки деталей из никеля или никелевых сплавов из эквимольного расплава хлоридов калия и натрия.

Технический результат изобретения заключается в повышении стойкости бестоковых покрытий на основе солей редкоземельных металлов деталей из никеля или никелевых сплавов к высокотемпературному окислению и горячей солевой коррозии при сохранении высокой жаростойкости и, как следствие - в повышении долговечности этих покрытий.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе химико-термической обработки деталей из никеля или никелевых сплавов выполняется насыщение деталей празеодимом, или неодимом, или гольмием, или тербием в эквимольном расплаве хлоридов калия и натрия с содержанием хлоридов празеодима, неодима, гольмия или тербия концентрацией 3-10% масс, при температуре не выше температуры закалки.

Описание заявляемого способа получения диффузионного бестокового покрытия на основе редкоземельного металла на детали из никеля или никелевого сплава

Процесс получения диффузионных бестоковых покрытий на основе неодима, празеодима, тербия и гольмия из эквимольного расплава хлоридов калия и натрия осуществляют в две стадии.

Весь процесс проводят в инертной атмосфере (аргон) при температуре 1073-1173 К.

В начале свинец, находящийся в эквимольном расплаве хлоридов калия и натрия, насыщают щелочными металлами путем электролиза (количество пропущенного электричества составляет 9,7 Кл/см³).

Затем в расплав помещают соль редкоземельного металла и деталь, которую электрически замыкают со свинцом, содержащим щелочной металл. Образовавшийся короткозамкнутый гальванический элемент позволяет получить диффузионное покрытие в результате бестокового переноса соответствующих РЗМ через данный расплав на упомянутую деталь.

На фигуре приведена конструкция оборудования для получения покрытия по заявляемому способу химико-термической обработки деталей из никеля или никелевых сплавов, где:

1 - молибденовые токоподводы

2 - алундовый чехол

3 - никель

4 - эквимольный расплав NaCl-KCl

5 - молибденовая проволока

6 - алундовый тигель

7 - Na-Pb расплав

8 - стеклографитовый тигель

Образование диффузионного покрытия происходит следующим образом: в стеклографитовый тигель с алундовым чехлом помещают в герметичную кварцевую ячейку, заполненную аргоном при температуре 1073-1173 К.

В тигель помещают свинец, насыщают его щелочными металлами (Na, К) путем электролиза. Затем в расплав вводят соответствующую соль хлоридов неодима, празеодима, тербия или гольмия (3-10% масс.), опускают никелевую деталь в эквимольный расплав хлоридов калия и натрия и электрически соединяют данный расплав с этой никелевой деталью. Затем в расплав помещают соль редкоземельного металла и деталь, которую электрически замыкают со свинцом, содержащим щелочной металл. Образовавшийся короткозамкнутый гальванический элемент позволяет получить на катоде (никель или никелевый сплав) диффузионное покрытие в результате бестокового переноса соответствующих РЗМ через данный расплав на упомянутую деталь.

Механизм образования можно представить следующей схемой: Ln³⁺+3Na⁰(Pb)+yNi=LnNi_y+3Na⁺(Pb)

Проведенный рентгеноструктурный анализ подтвердил наличие фазы Ni-Ln в диффузионном слое, где Ln - Pr, Nd, Но или Тb.