[1]Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для защиты от эрозионного износа рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.
[2]Известен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали (патент RU №2131480, опубл. 10.06.1999, МПК С23С 14/06), включающий ионно-плазменное азотирование изделия с образованием промежуточного слоя, очистку и активацию поверхности детали и нанесение покрытия TiN, которое осуществляется в едином технологическом цикле в плазме дугового и газового разряда с накаленным катодом в одной вакуумной камере.
[3]Недостатками данного технического решения являются низкие защитные свойства покрытия вследствие внедрения микрокапельной фазы распыляемого материала в объем покрытия, а также возможное изменение свойств материала подложки вследствие нагрева изделия до высокой температуры 450-500°С при формировании азотированного слоя.
[4]Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность стального изделия (пат. RU №2437963, опубл. 27.12.2011, МПК С23С 14/06), в котором при очистке изделия проводят очистку камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование, после которого дополнительно проводят ионное травление поверхности изделия. Затем наносят покрытие методом физического осаждения из паровой фазы путем нанесения микрослоя из нанослоев толщиной 1-100 нм из титана, алюминия и кремния, последующего нанесения микрослоя из нанослоев толщиной 1-100 нм из нитридов титана, алюминия, кремния или нанесения микрослоя в виде аморфной матрицы из нитрида кремния с твердыми включениями из нитридов титана и алюминия с характерными расстояниями между указанными включениями, составляющими 1-100 нм.
[5]Недостатком данного технического решения является узкая область применения вследствие эффективности использования данного способа для защиты от эрозионного износа рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, изготовленных только из лопаточной стали 20X13.
[6]Технической задачей предлагаемого изобретения является унификация способа нанесения покрытия для повышения эрозионной стойкости различных марок лопаточных сталей.
[7]Технический результат заключается в расширении области применения способа нанесения защитного покрытия.
[8]Это достигается тем, что в известном способе нанесения покрытия на поверхность стального изделия, включающем ионную очистку поверхности изделий и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхности изделия, нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы, при этом ионное травление и азотирование поверхности изделия проводят одновременно с использованием дуальной магнетронной распылительной системы в качестве источников аргоновой плазмы с увеличенной плотностью потока ионов на изделии при нагреве изделий до температуры 370-430°С с одновременной подачей газа азота, нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы проводят последовательным чередованием микрослоя из хрома общей толщиной 0,5-1,5 мкм и микрослоя из нитрида хрома общей толщиной 2-3 мкм до получения покрытия общей толщиной 5-30 мкм.
[9]Способ нанесения покрытий на поверхность стального изделия осуществляется следующим образом.
[10]Изделия полируют, обезжиривают в ультразвуковой ванне, обрабатывают бензино-спиртовой смесью, подвергают термообработке в сушильном шкафу. Подготовленные таким образом изделия размещают в вакуумной камере. Изделие изолируют от корпуса вакуумной камеры и подключают к источнику импульсного отрицательного напряжения (напряжение смещения), причем частоты источников питания магнетронов и изделия синхронизированы.
[11]Для реализации способа используют системы откачки и напуска плазмообразующего газа аргона и газа азота - для азотирования и формирования покрытий.
[12]Производят откачку вакуумной камеры с одновременным ее нагревом для интенсификации процесса дегазации камеры и изделий.
[13]Затем проводят ионную очистку поверхности изделий и вакуумной камеры в тлеющем разряде для удаления адсорбированных паров воды, растворителей и т.п., для чего на изделие подают отрицательное напряжение, а в вакуумную камеру напускают инертный газ аргон.
[14]Проводят совмещенное ионное травление и ионно-плазменное азотирование очищенной поверхности изделий с увеличенной плотностью потока ионов на изделии при одновременном нагреве изделий до температуры 370-430°С. Для этого включают дуальные источники питания и устанавливают ток магнетронного разряда на магнетронах с «разбалансированными» магнитными системами, а также подают газ азот.
[15]Проведение азотирования обеспечивает глубину модифицированного слоя до 70 мкм. За счет совмещения азотирования и ионного травления поверхность изделия остается светлого цвета, с параметрами шероховатости не более 1 мкм для предварительно полированных поверхностей изделий. Азотирование поверхности заключается в диффузионном насыщении азотом приповерхностного слоя металла глубиной до 70 мкм, в результате чего образуется раствор азота в металле. Твердость поверхности может возрасти в шесть раз от исходной величины, уменьшаясь с глубиной до твердости исходного материала. Формирование азотированного градиентного слоя в приповерхностной области изделия с плавно изменяющейся твердостью позволяет значительно уменьшить напряжения на границе раздела изделие-покрытие, что необходимо для исключения резкого изменения твердости на границе «покрытие - основной материал» и снижения внутренних механических напряжений в пограничной зоне материалов покрытия и основы.
[16]Дуальные источники питания и магнетроны образуют дуальную магнетронную распылительную систему. На этапе совмещенного ионного травления и азотирования дуальные магнетронные распылительные системы используются в качестве источников аргоновой плазмы. Наиболее интенсивное травление происходит, когда изделия проходят между магнетронами дуальной магнетронной распылительной системы. Применение магнетронов в процессе травления позволяет избежать нанесения капель металла на поверхность изделия, что характерно при использовании электродуговых распылителей. Использование дуальных источников питания с образованием магнитной ловушки магнитной системы магнетронов позволяет обеспечить осцилляцию электронов и повысить уровень ионизации газов и концентрацию атомов и ионов азота в объеме между магнетронами.
[17]Во время азотирования поверхность изделия подвергается ионному травлению, что обеспечивает чистоту поверхности и позволяет реализовать безводородное азотирование, в отличие от «классического» ионно-плазменного азотирования, которое проводится в тлеющем разряде в смеси азотосодержащего газа (азот или аммиак) и водорода. При применении безводородного азотирования происходит удаление соединения железа с азотом и образующихся в процессе азотирования окисных пленок вследствие десорбции газов и паров со стенок камеры.
[18]Нанесение износостойкого покрытия на основе соединений хрома проводится непосредственно после этапа совмещенного ионного травления и азотирования. Для этого отключают подачу азота, отрицательное напряжение на изделии уменьшают, на каждый магнетрон подают мощность и включают подачу реакционного газа - азота для получения покрытия на основе нитрида хрома. Износостойкое покрытие наносят методом физического осаждения из паровой фазы посредством дуальных магнетронов, последовательно чередуя слои хрома и слои нитрида хрома. Первым наносят микрослой из хрома общей толщиной 0,5-1,5 мкм, а затем наносят второй микрослой из нитридов хрома общей толщиной 2-3 мкм. Далее операции повторяют, и в результате получают износостойкое покрытие общей толщиной 5-30 мкм. Экспериментально обнаружено, что наилучшие характеристики покрытия достигаются в указанных диапазонах толщин микрослоев, которые регулируются временем формирования покрытия.
[19]Для исследования эрозионной стойкости покрытия, нанесенного описанным выше способом, были изготовлены три группы образцов из сталей 20X13, 12X13 и ЭИ961. Первая группа (I) образцов обработке не подвергалась. На поверхность второй группы (II) образцов было нанесено нанокомпозитное покрытие по способу, выбранному в качестве прототипа, показавшее наилучшее значение относительной эрозионной стойкости, состоящее из нитрида кремния, с зернами TiAlN, при этом азотирование проводилось после очистки аргоном, а нанесение покрытия осуществлялось сразу после азотирования, ионное травление проводилось до и после азотирования. На поверхность третьей группы (III) образцов было нанесено покрытие согласно предлагаемому способу.
[20]Первая группа (I) являлась контрольной, и эрозионная стойкость образцов второй (II) и третьей групп (III) определялась по отношению к эрозионной стойкости образцов первой группы. Исследование проводилось на экспериментальном комплексе уникальных стендов и установок -"Гидроударный стенд Эрозия-М" (УНУ "Гидроударный стенд Эрозия-М"). ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ». Результаты исследований эрозионной стойкости образцов из стали 20X13 приведены в таблице 1, образцов из стали 12X13 - в таблице 2, образцов из стали ЭИ961 - в таблице 3.
[21]
[22]
[23]
[24]Таким образом, предлагаемый способ нанесения покрытия на поверхность стального изделия позволяет многократно увеличить эрозионную стойкость широкого ряда лопаточных сталей.
[25]Пример конкретной реализации способа:
[26]- полировка изделия, обезжиривание ультразвуком и протирка бензино-спиртовой смесью, сушка в шкафу при Т=60°С;
[27]- размещение изделий на карусели в вакуумной камере, одновременный нагрев и откачка вакуумной камеры Т=150°С, Рост=8⋅10-3 Па;
[28]- ионная очистка аргоном, Р=0,5 Па, Uсмещения=800-1300 В;
[29]- ионное травление и азотирование, Р=1,5 Па, Uсмещения=800-1300 В, ток магнетронного разряда I=5 А, температура изделия Тизд=400°С;
[30]- нанесение многослойного покрытия, состоящего из слоев Cr-CrN по режиму Р=1,2 Па, Uсмещения=80 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В. температура изделия Тизд=350°С.
[31]Использование предлагаемого изобретения позволяет увеличить эрозионную стойкость различных марок лопаточных сталей, что приводит к повышению надежности эксплуатации рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин.
