Результат интеллектуальной деятельности: Способ защиты внутренних поверхностей реактора от насыщения компонентами рабочей среды при химико-термической обработке деталей

Изобретение относится к технологиям и оборудованию для нанесения покрытий на детали и может быть использовано для исключения влияния отложений компонентов рабочей среды, осаждающихся на внутренних поверхностях реактора, на качество наносимого на детали покрытия при их химико-термической обработке (ХТО).

Из уровня техники известно, что покрытия на деталях формируются, в основном, в реакторах газоциркуляционных установок за счет протекания химических реакций диспропорционирования или обмена (см., например, Б.Н. Арзамасов. «Химико-термическая обработка металлов и сплавов в активированных газовых средах». М.: Машиностроение, 1979).

Типичными представителями таких установок являются, например, газоциркуляционные установки типа УМДП, ДА-2М, УЦЛ-1, конструкция которых защищена соответственно патентами РФ №5437411, №5459211, №2305141 С. Данные установки оснащены ректорами, представляющими собой оснащенные системой нагрева муфели колпакового, шахтного или элеваторного типа и основание, на котором смонтированы вентилятор, устройство для формирования потока рабочей газовой среды, например хлоридной, подставки для размещения деталей, источник диффундирующих элементов (хрома, алюминия и пр.). Упомянутые узлы и детали изготовлены из жаропрочных сплавов.

Опыт эксплуатации газоциркуляционных установок при получении алитированных, хромированных и хромоалитированных диффузионных покрытий на деталях, например выполненных из никелевых сплавов рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД), показал, что основными факторами, влияющими на активность протекания химических реакций в реакторе и обеспечивающими получение диффузионных покрытий в хлоридной газовой среде заданной толщины, структуры и химического состава, являются температура, время выдержки, давление и скорость рабочего газового потока, а также соотношение поверхности подлежащих ХТО деталей, например лопаток турбины высокого давления (ТВД), и поверхности источника диффундирующих элементов, например алюминия в виде жидкого расплава или хрома в виде гранул или чешуек.

В процессе ХТО деталей, например при их алитировании, внутренние поверхности реактора насыщаются алюминием, осаждающимся на внутренние поверхности реактора из рабочей среды. Постепенно на этих внутренних поверхностях образуется насыщенный алюминием слой, содержащий в зависимости от концентрации в нем алюминия на никелевых сплавах фазы Ni₃Al, NiAl, Ni₂Al₃, а на стали - фазы Fe₃Al, FeAl, FeAl₃, Fe₂Al₅ с различной, постепенно, по мере увеличения толщины слоя, возрастающей активностью алюминия.

Этот слой, при последующих проводимых в реакторе штатных технологических циклах алитирования деталей, выступает в качестве дополнительного источника диффундирующего элемента - алюминия, в связи с чем необходимо проводить корректировку штатных технологических режимов получения покрытия. Без учета этого фактора невозможно получать диффузионные покрытия заданного качества по толщине и химическому составу. При этом весьма сложно оценивать динамику образования такого слоя и определять его химическую активность, которая, по мере эксплуатации реактора, постоянно меняется.

Так, например, при алитировании лопаток ТВД ГТД в условиях серийного производства в процессе эксплуатации установки режимы алитирования необходимо постоянно корректировать. В результате, исходя из опыта эксплуатации, штатная температура в реакторе с 1020°С снижается до 980°С, время насыщения - с 4 часов до 2,0-2,5 часов. Естественно, что такая корректировка режимов в серийном производстве требует дополнительных исследований и материальных затрат для подтверждения идентичности получаемых покрытий, что, тем не менее, не гарантирует их качества.

Таким образом, проблема получения качественных покрытий на деталях при ХТО связана не только с подбором технологических параметров - температуры выдержки, давления и скорости движения рабочей газовой среды, количества источников насыщаемых элементов, например алюминия и хрома при алитировании и хромировании соответственно, но и с необходимостью учета дополнительного фактора - наличия алюминия или хрома на внутренних поверхностях реактора, контактирующих с рабочей газовой средой и выступающих в качестве дополнительных источников этих элементов.

Данная проблема решается различным образом.

Так, например, известны решения, в которых образованный на внутренних поверхностях реактора слой периодически удаляют механическими средствами.

Известна установка для нанесения покрытий из порошкообразного материала на детали, содержащая камеру для размещения в ней деталей, в полости камеры размещено очищающее устройство, предназначенное для очищения внутренних поверхностей камеры от продуктов напыления, выполненное в виде жесткого носителя, имеющего возможность перемещения в полости камеры, носитель снабжен механическими очищающими элементами, выполненными в виде скребков из эластичного материала, гибко прилегающих к внутренним поверхностям камеры и очищающих их при перемещении, при этом очищающее устройство оснащено вакуумной системой для удаления продуктов очистки из полости камеры (см. патент РФ №2072901, кл. В05В 15/12, 1997 г.).

В результате анализа известной установки необходимо отметить, что такая очистка требует периодической остановки реактора для его обслуживания, причем в процессе очистки возможны повреждения стенок реактора, а главное - механическая очистка не гарантирует полного удаления отложений с внутренних поверхностей реактора.

Другим направлением решения данной проблемы является выполнение всех или некоторых внутренних поверхностей реактора, контактирующих с рабочей газовой средой, из материала, который не вступает в химические реакции с рабочей газовой средой, например хлоридной.

Так, реактор и входящие в него узлы и детали могут быть изготовлены из высокотемпературной керамики (см., например, патент РФ №2128624 С), которая не вступает в химические реакции с рабочей газовой средой, например хлоридной. Однако это принципиальное решение вызывает ряд непреодолимых трудностей из-за габаритов данных реакторов и других узлов и деталей, требований к герметичности и других очевидных причин, в связи с чем его реализация на практике вызывает большие сложности.

Наиболее перспективным направлением решения данной проблемы является создание на внутренних поверхностях реактора защитного слоя, который инертен к рабочей газовой среде.

Так, например, известен способ защиты стенок форкамеры газодинамической установки от воздействия высокоэнтальпийного рабочего газа, основанный на образовании защитного газового пристеночного потока, обеспечивающего защиту материала стенок форкамеры от воздействия рабочего газа (см. авторское свидетельство СССР №1840957, кл. G01M 9/00, 2014 г.).

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что его реализация связана со значительными трудностями, обусловленными сложностью организации процесса циркуляции воздушного потока защитной среды и обеспечения его заданных параметров в течение длительного времени.

Известен способ защиты внутренних поверхностей реактора, реализованный в устройстве для металлотермического восстановления алюминия, согласно которому на внутренние стенки реактора, с целью их защиты от воздействия рабочей газовой среды, наносят защитное покрытие (см. патент РФ №2476613, кл. С22В 21/04, 2012 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известного решения необходимо отметить, что данное покрытие по мере эксплуатации установки подвергается эрозии, в связи с чем защитные свойства покрытия снижаются, и необходима периодическая остановка реактора для восстановления (замены) покрытия.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества наносимого на детали покрытия за счет устранения переноса отложений рабочих агентов с внутренних поверхностей реактора на детали.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе защиты внутренних поверхностей реактора от насыщения компонентами рабочей среды при химико-термической обработке деталей, включающем формирование на внутренних поверхностях реактора защитного покрытия, химически нейтрального к рабочей среде, новым является то, что для формирования защитного покрытия первоначально проводят от 3 до 10 штатных циклов нанесения покрытия на детали, получая на внутренних поверхностях реактора покрытие из рабочего агента, используемого при проведении химико-термической обработки, после чего проводят холостой цикл работы реактора, при котором в полость реактора подают окислитель для образования оксидного слоя на поверхности полученного покрытия, причем проведение холостого цикла повторяют через каждые 30-50 штатных циклов химико-термической обработки.

Заявленный способ основан на получении на внутренних поверхностях реактора защитного покрытия, которое химически нейтрально к рабочему агенту. Особенностью заявленного способа является то, что данное покрытие формируют в процессе эксплуатации реактора при проведении ХТО деталей на режимах, характерных для ХТО. Для формирования защитного покрытия используют компоненты рабочей среды, подаваемой в рабочий объем реактора при проведении ХТО. После формирования покрытия достаточной толщины осуществляют получение на нем оксидного слоя за счет окисления, например, воздухом, получая на внутренних поверхностях реактора химически нейтральный слой оксидов металлов, например оксида алюминия (Al₂O₃), оксида хрома (Cr₂O₃), шпинели (Al₂O₃⋅Cr₂O₃).

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

Первоначально проводят серию из 3-10 штатных технологических процессов ХТО (алитирования, хромирования или хромоалитирования). Как показал опыт эксплуатации установок, при проведении такого количества штатных процессов влияние насыщенных алюминием или хромом внутренних поверхностей реактора на технологический процесс алитирования (хромирования или хромоалитирования) несущественно, так как толщина отложений компонентов рабочей среды на внутренних поверхностях реактора незначительна и не оказывает существенного влияния на качество наносимых покрытий, но, в то же время, достаточна для получения на них оксидного слоя.

После окончания данной серии проводят холостой (без загрузки изделий) нагрев реактора с напуском в реактор окислителя - воздуха давлением, не превышающим 1 атмосферу. Окислитель, вступая в химическую реакцию окисления с полученным на внутренних поверхностях реактора покрытием, образует на наружной его поверхности оксидный слой из оксидов алюминия (Al₂O₃), оксидов хрома (Cr₂O₃), шпинели (Al₂O₃⋅Cr₂O₃). Данный слой является химически нейтральным по отношению к компонентам рабочей среды, используемым для проведения ХТО.

После проведения холостого нагрева реактора с напуском воздуха и получения оксидного слоя возобновляют проведение штатных технологических процессов алитирования, хромирования или хромоалитирования.

При этом полученный на внутренних поверхностях реактора оксидный слой препятствует дальнейшему насыщению алюминием или хромом внутренней поверхности реактора, что обеспечивает получение на деталях покрытий заданного качества.

В процессе эксплуатации установки полученный оксидный слой постепенно разрушается, поэтому необходимо своевременно периодически повторять холостой нагрев реактора с напуском окислителя для восстановления оксидного слоя.

Как показали исследования, такой холостой нагрев целесообразно повторять после каждых 30-50 штатных технологических процессов ХТО.

Заявленный способ реализовали в соответствии с технологией алитирования лопаток ТВД ГТД на циркуляционной установке УЦЛ-1, реактор которой представляет собой муфель шахтного типа, муфель оснащен герметичной крышкой, в которой размещен центробежный вентилятор с электрическим приводом, внутри муфеля установлены решетки для размещения источника алюминия (для алитирования) - гранул алюминия А-99, источник рабочей газовой среды - хлорид алюминия AlCl₃ и обрабатываемые детали. Муфель, крышка и другие узлы и детали реактора изготовлены из жаропрочного никелевого сплава ХН78Т.

Для контроля насыщения внутренних поверхностей реактора алюминием процесс алитирования выполняли вместе с загруженными в реактор образцами (всего восемь образцов), выполненными в виде пластин из никелевого сплава ХН78Т размерами 200×200×12 мм.

Алитирование проводилось при следующих технологических режимах: температура в реакторе 1000-1050°С; время 4-6 часов; скорость вентилятора 1000 об/мин; поверхность расплава алюминия - 300-500 мм²; давление рабочей хлоридной среды 1-10 мм рт.ст.; диффундирующий элемент - алюминий А-99; источник хлоридной среды - хлорид алюминия AlCl₃ безводный.

После окончания каждого технологического цикла проводили контроль толщины покрытия двух образцов.

После проведения первого и второго технологических циклов ХТО измеренная толщина покрытия компонентов рабочей среды на образцах №1 и №2 составила 2-6 мкм.

После проведения третьего технологического цикла ХТО измеренная толщина покрытия компонентов рабочей среды на образцах №3 и №4 (после трех технологических циклов) составила 8-10 мкм.

После этого было проведено еще пять технологических циклов ХТО, измеренная толщина покрытия компонентов рабочей среды на образцах №5 и №6 (после восьми технологических циклов) составила 15-18 мкм.

Далее было проведено еще два технологических цикла ХТО, измеренная толщина покрытия компонентов рабочей среды на образцах №7 и №8 (после десяти технологических циклов) составила 15-20 мкм.

Параллельно после каждого технологического цикла проводилось исследование качества нанесенного на детали покрытия, в результате чего было установлено, что после первого и второго технологических циклов ХТО качество покрытия деталей полностью соответствует требованиям. После третьего технологического цикла ХТО показатели толщины покрытия и его химического состава находились в пределах поля допуска. После четвертого-десятого технологических циклов ХТО показатели толщины покрытия, его химического состава и плотности находились на границах поля допуска.

Дальнейшее проведение ХТО с получением качественных покрытий было возможно только при изменении режимов технологического процесса.

После проведения десятого цикла ХТО образцы были загружены в реактор установки для проведения совместного окислительного нагрева при температуре и времени выдержки штатного технологического процесса алитирования. После проведения холостого цикла образцы были исследованы, в результате чего было установлено:

- на образцах №1 и №2 имеются пятна различного цвета, представляющие оксиды Al₂O₃ и NiO. Последний (NiO) из-за недостаточной толщины легко скалывается и не способен служить надежной защитой от последующего насыщения алюминием;

- на образцах №3-8 образовался слой окислов (Al₂O₃) и шпинели (Al₂O₃⋅Cr₂O₃) однородного цвета.

Далее все образцы вместе с обрабатываемыми деталями проходили штатные процессы алитирования в реакторе установки. Через каждые 10 технологических циклов выполняли оценку состояния окислительного слоя образцов внешним осмотром. О состоянии покрытия судили по отсутствию пятнистости на поверхности образцов.

По результатам исследований было установлено следующее:

- после 10 циклов алитирования на поверхности образцов №1 и №2 имела место пятнистость, что свидетельствовало о неэффективности защитных свойств имеющегося окисленного слоя от алитирования;

- после 30 циклов алитирования выявлена пятнистость на поверхности образцов №3 и №4;

- после 50 циклов алитирования выявлена пятнистость на поверхности образцов №5-8.

На основании проведенных исследований установлено, что оптимальными условиями для формирования защитного оксидного слоя на внутренних поверхностях реактора окислительным нагревом реактора являются следующие:

- первичный окислительный нагрев для формирования оксидного слоя целесообразно осуществлять после проведения 3-10 технологических процессов ХТО, когда гарантированно сформировано на внутренних поверхностях реактора покрытие рабочего агента, используемого для проведения ХТО;

- последующие окислительные нагревы для восстановления оксидного слоя целесообразно осуществлять после проведения каждых 30-50 технологических процессов ХТО, когда полученный на внутренних поверхностях реактора защитный оксидный слой в значительной степени подвержен эрозии.

Таким образом, использование реактора газоциркуляционных установок с защитным оксидным слоем на его внутренних поверхностях, полученным в соответствии с заявленным способом, препятствует дополнительному насыщению диффундирующими элементами деталей при проведении ХТО и предотвращает перенос рабочих компонентов с поверхностей реактора на детали, что позволяет устранить из числа технологических факторов, влияющих на процессы ХТО, площадь внутренней поверхности реактора, насыщенную диффундирующими элементами.

Предложенный способ позволяет повысить стабильность технологии и качество получаемых жаростойких диффузионных покрытий на деталях при их ХТО, в частности при алитировании, хромировании или хромоалитировании, а также повысить ресурс реактора газоциркуляционных установок.

Весьма важно также и то, что получение защитного покрытия осуществляется при использовании штатных технологических режимов, используемых при ХТО. Это значительно упрощает осуществление способа и сводит к минимуму простои реактора.