автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и исследование защитных покрытий, наносимых электроакустическим способом на жаропрочные никелевые сплавы

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

п-Ч 'л-??

На правах рукописи

Селезнева Елена Васильевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, НАНОСИМЫХ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ НА ЖАРОПРОЧНЫЕ НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ

Специальность 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка

металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 1998

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете на кафедре "Оборудование и технология сварочного производства".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гадалов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Биржев В.А. к.т.н, доцент Колмыков В.И.

Ведущее предприятие

Воронежское акционерное авиастроительное общество

Защита состоится "18 " декабря 1998 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.064.50.01 Курскоп государственного технического университета (305040 Курск, ул. 50 ле Октября,94)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлят по адресу: 305040 Курск, ул.50 лет Октября, 94. Каб.216, ученом секретарю совета.

Автореферат разослан «18» ноября 1993 г. Ученый секретарь диссертационного

совета д.т.н., профессор

Яцун С.Ф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы

Создание жаропрочных покрытий- кардинальное решение проблемы сочетания высокой прочности материалов и способности противостояния химическому разрушению при высоких температурах.

Для работы в условиях высоких температур, а также в различных агрессивных средах, рекомендуются литейные жаропрочные многокомпонентные сплавы с никельхромовой матрицей или аналогичные сплавы с защитными покрытиями. Разработаны многокомпонентные покрытия на основе никеля с высоким содержанием хрома и алюминия с различными микродобавками, полученные методами электроискрового легирования, электроакустического нанесения покрытий, плазменной и лазерной обработки.

Выбор защитных покрытий различных составов и способов их формирования обеспечивает надежность специальных изделий и увеличивает время их эксплуатации.

Необходимость востребования защитных покрытий в условиях рыночной экономики важна также для восстановления изношенных узлов и изделий специальной техники из литых жаропрочных никельхромовых сплавов.

Создание материалов с удовлетворительными физико-механическими свойствами при высоких температурах не исключает их склонность к разрушению при эксплуатации в различных условиях. Поэтому, для обеспечения ресурса и надежности специальных изделий требуется изыскание защитных покрытий различных составов и способов их формирования.

Некоторые достижения в этой области были сделаны благодаря разработке ряда многокомпонентных покрытий на основе никеля с высоким содержанием хрома, и алюминия с разными микродобавками, полученных методами электроискрового легирования, электроакустического нанесения покрытий, плазменного напыления, лазерной обработки и др.

Многообразие разработанных и разрабатываемых методов нанесения покрытий обеспечивают решение самых сложных задач, выдвигаемых развивающейся техникой.

В связи с этим актуальной задачей современного энергомашиностроения является разработка и исследование технологии нанесения защитных покрытий, работоспособных в условиях высокотемпературного окисления и коррозии, что позволит их использовать для повышения надежности и долговечности конструкционных деталей.

Целью работы являлась разработка и изучение защитных покрытий для литейных жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6У, полученных электроакустическим и комбинированным методами для повышения их эксплуатационных характеристик.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исходя из общих принципов, изложенных в литературном обзоре эмпирически выбрать материал анода для установки электроакустического напыления ЭЛАН-3, основываясь на ранее проведенных исследованиях по разработке для сплава ЖС6У защитных покрытий, полученных электроискровым легированием.

2. Исследовать и подтвердить для сплава ЖСбУ с добавками (),5%Ш и 0,3%0у по массе, полученного литьем по выплавляемым моделям, сведения по структуре, фазовому составу и его физико-механическими свойствами.

3. Методом математического планирования оптимизировать режим электроакустического нанесения покрытий для данного композита, обеспечивающий оптимальный массоперенос при заданной толщине покрытия с оптимальными внутренними напряжениями.

4. Для определения адгезионной прочности электроакустических покрытий разработать метод, основанный на склерометрических измерениях.

5. Исходя из режима электроакустического нанесения покрытий, полученного в рамках данной работы, провести его оптимизацию методом математического" планирования по следующим эксплуатационным характеристикам: адгезионная прочность и жаростойкость.

6. Провести комплексное металлофизическое исследование полученного композита.

6.1 Исследовать структуру и фазовый состав покрытий, исследовать внутреннее трение

6.2 Провести сопоставление эксплуатационных характеристик композита и исходного материала после испытаний на жаростойкость

6.3 Изучить изменение фазового состава поверхностных слоев сплава покрытия в процессе окисления

7. Провести оценку комбинированных методов обработки * рекомендуемого метода ЭЛАН: по шероховатости поверхности склерометрическим способом и методом внутреннего трения.

8. Провести научно-исследовательские работы, направленные на повышение эксплуатационных характеристик лопаток газотурбинных двигателей и узлов авиационной техники, за счет повышения защитных покрытий.

9. Сделать частные и общие выводы по работе

Научная новизна, Проведенные исследования и их анализ позволили реализовать заданную структуру покрытий и решить поставленные задачи. Вследствие чего получены следующие научные результаты:

1. Впервые подробно изучена структура, фазовый состав и физико-механические свойства защитных покрытий, наносимых электроакустическим способом.

2. Установлена закономерность изменения структуры, фазового, химического состава, стойкости образцов в зависимости от режимов технологии электроакустического напыления и термической обработки после нанесения покрытия.

3. Методами математического планирования эксперимента определен оптимальный режим эрозии электрода.

4. Установлена зависимость эксплуатационных характеристик (жаростойкости, адгезионной стойкости) от различных режимов нанесения покрытия.

5. Методами математического планирования эксперимента оптимизирован режим по жаростойкости с учетом адгезионной прочности исследуемого композита.

6. Теоретически и экспериментально проведено исследование внутреннего трения жаропрочного сплава ЖС6У с покрытием из сплава- аналога с добавками Ш и Оу. Получена зависимость внутреннего трения от температуры для исследуемого композита.

Практическая ценность. Разработана новая технология и защитные покрытия для жаропрочных сплавов типа ЖСбУ, полученных методом электроакустического нанесения покрытий, с регулируемыми эксплуатационными свойствами.

Апробация работы. Основные положения диссертации и некоторые результаты докладывались и обсуждались в период 1995-98 годов на семинарах и следующих научно-технических конференциях:

1. Научно- техническая конференция с международным участием "Релаксационные явления" .Тула: ТулГУ. 1997.

2. V научно-технической конференции с международным участием "Материалы и упрочняющие технологии".Курск: КГТУ. 1997.

3. Научно- техническая конференция с международным участием "Сварка-97". Воронеж: ВГУ. 1997.

4. Международная техническая конференция "Медико-экологические информационные технологни-98". Курск: КГТУ. 1998.

5. 3 Всероссийская научно-техническая конференция "Методы и средства измерений физических величин". Нижний Новгородф: НГТУ. ] 998.

6. 5 Международная конференция "Пленки и локрытия-98". Санкт-Петербург: С-ПГТУ. 1998.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано Ч печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из следующих самостоятельных разделов:

- введение;

- литературный обзор по современным публикациям;

- материалы и методики исследований;

- описание экспериментальной части и анализ полученных данных;

- выводы по проведенной работе.

Работа представлена на страницах, содержит /Л рисунков ,

использовано /¿3 литературных источников.

Содержание основных разделов работы

Введение Обоснована актуальность темы, сформулированы иель и задачи исследования работы.

Петит глава

Проведен обзор литературных данных по жаропрочным никельхромовым сплавам. Коротко рассмотрены вопросы легирования этих сплавов. Описано влияние различных карбидных фаз на структур} сплавов.

Освещено современное состояние работ по применению защитных покрытий с целью повышения эксплуатационных свойств. Описань основные методы получения защитных покрытий: электроннолучевое напыление многокомпонентных и многослойных покрытий, мею; импульсно-плазменной обработки, вакуумно-дуговая технология методология направленного формирования свойств поверхностных слое! изделий ускоренными потоками металлической плазмы и другие.

Описаны преимущества электроискрового и электроакустической нанесения защитных покрытий. Подробно рассмотрена их методика Отображены достоинства и недостатки методов. Проведен аналн литературных данных, с целью выбора основного метода для работы. П< проведенному анализу выбрано электроакустическое нанесение защитны: покрытий.

Возможности электроакустического нанесения защитных покрытий 1 плане обеспечения требуемых условиями эксплуатации шероховатост! ограничены. В связи с этим для упрочнения поверхностей, в сочетании

электроакустическим нанесением покрытий применено алмазное выглаживание. Описаны его преимущества и обосновано применение алмазного выглаживания для данной работы.

В заключении проведенного литературного обзора сформулирована постановка задач исследования.

Вторая глава

Описываются материалы и методики исследований, проведенных по данной тематике. Материалом исследования служили защитные покрытия, наносимые на лопаточные сплавы типа ЖС6У. Сплавы были выплавлены в вакуумно-индукционной печи марки ОКБ 694 с последующем переплавом на порционных печах. Химические составы выплавленных сплавов (% по массе) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Химические составы сплавов

№ Марка сшива С С г W Со Мо AI Ti Nb Fe Другие элемен - ты Dy Hf N1

1 ЖС6У 0,19 9 10,5 10 1,8 5,5 2,5 1,1 0,8 0,02 Y 0,02 Се 0,005 В - - ост

2 ЖС6У с добав ками Dy и Mf 0,19 9 10,5 10 1,8 5,5 2,5 1,1 - 0,02 Y 0,02 Се 0,005 В 0,3 0,5 ост

Покрытия представляют собой литейный сплав ЖС6У с добавками 0,3% Оу и 0,5% Ш по массе, наносимый на материал подложки на установке ЭЛАП-З. Процесс электроакустического напыления основан на использовании энергии ультразвука и электроискрового разряда.

Механические продольно-крутильные ультразвуковые колебания, сообщаемые электроду, образуют при контактировании с обрабатываемой поверхностью межэлектродный зазор, равный амплитуде колебаний в электроде 5-10 мкм, меняющихся во времени приближенно по синус с-« -альному закону с частотой 19-23 кГц.

Ультразвуковая колебательная система предназначена для преобразования электрических колебаний в механические колебания с ультразвуковой частотой.

Покрытие наносилось равномерно (т = 90 с/см2), толщина покрытия составляет от 100 до 250 мкм.

Для выявления структуры исследуемых композиционных материалов применялся метод металлографического анализа, где с различной временной выдержкой были получены фотографии микроструктур.

Качественные и ряд количественных металлографических исследований выполнялись на микроскопе МИМ-8, где с различной временной выдержкой были получены фотограф™.

Просмотр реплик и фотографирование выполнялось на электронном просвечивающем микроскопе ЭМВ-100Б при увеличении до 50000 крат.

РентгеноструктурныЙ фазовый анализ выполнялся на дифрактометре ДРОН-ЗМ и УРС-60. Съемку дифрактограмм проводили с использованием медного кс-излучения и рабочего напряжения 35 кВ. Расшифровка дифрактограмм проводилась вручную с использованием стандартных методик.

Для изучения физико-механических свойств композита, таких каь жаростойкость, шероховатость, в работе пользовались стандартным! методиками. Адгезионная прочность оценивалась по методике основанной на склерометрическом анализе. Суть его заключается I нанесении царапин и определении полуширины зоны разрушенш покрытия.

Для оценки стабильности структурного состояния композиционной материала применялся метод внутреннего трения. Этот мeтo^ используется также для определения демпфирующих свойств. Да: исследования этой связи получен ряд эмпирических зависимостей.

Третья глава

Представлены экспериментальные сведения по жаропрочному сплав; ЖС6У и сплаву- аналогу с добавками 0,5 %Н[ и 0,3 % Оу по массе.

Для сплава ЖС6У характерны следующие особенности: размер зерн составляет в среднем 330 мкм. Основными фазами, составляющим структуру сплава являются у- твердый раствор, легированный хромо!^ кобальтом, вольфрамом, и марганцем; интерметаллидная у фаза тип №3(А1, Т1, N1»), количество которой составляет около 60 % объем; карбиды МеС, Ме2зО„ Ме6С.

Зерно в легированном сплаве составляет 219 мкм, что в 1,5 раз меньше, чем в исходном сплаве. Микроструктура сплава бол« однородная.

Легирование сплава ЖС6У добавками Ш и Оу устраня* разнозернистость, уменьшает величину дендритных ячеек в 1,4-1,6 раза приводит к более равномерному распределению упрочняющей у'- фазы приграничных объемах.

Эксплуатационные характеристики композиционного материал полученного электроакустическим способом зависят, в основном, <

материала покрытия - электрода установки и режимов его нанесения. При этом важно учитывать, кинетику процесса нанесения покрытия. Для характеристики данного процесса вероятностно-статистическим методом планирования экстремальных экспериментов была выбрана величина коэффициента переноса массы материала. Коэффициент переноса массы прямо пропорционален среднему изменению массы материала, на который наносится покрытие (подложка) и обратно пропорционален среднему значению массы электрода:

< А пи > " < Аль >'

Основными технологическими параметрами установки ЭЛАН-3 при настроенной акустической системе являются: емкость разряда- С(мкФ), напряжение-и(В), частота следования импульсов - 1>(кГц), удельное время обработки- т (с). После проведения предварительных экспериментов и обработки результатов методом наименьших квадратов, получены зависимости коэффициента переноса (к) от отдельных параметров процесса нанесения покрытий:

от емкости к= 21,9+0,013С; от напряжения к= 439,8-5,7711; от времени обработки к= 445,5-4,94т; от частоты следования импульсов к= 3,25-0,26и. Установлено, что наибольшее влияние на коэффициент переноса оказывает емкость и напряжение. Частота и время обработки - величины малозначимые.

Для полного описания кинетики процесса нанесения покрытия, с целью получения максимального значения коэффициента переноса массы данные энергетические и частотные параметры были оптимизированы следующим образом:

ёмкость разряда (С) - Хь* напряжение (и) - Х2; время обработки (т)-Х3; частота следования импульсов (и)-Х4.

Реализован полный факторный эксперимент 24 с равномерным дублированием опытов. Уравнение регрессии имеет вид

После проверки статистической значимости коэффициентов уравнение регрессии для коэффициента переноса массы примет вид

у=0,559 + 0,065Хг+0,103Хг+0,064Х1Х4 - 0,056Х2Х3 + +0,113Х1Х2Хз + 0,043Х1Х2Х4 +ОЛ6ЗХ1Х2Х3Х4.

Уравнение подтверждает, что емкость и напряжение существенно влияют на процесс переноса массы материала на подложку. Варьируя эти величины, в совокупности с другими параметрами, удалось добиться наибольшего переноса массы.

Режим, при котором коэффициент переноса массы максимален: ОЗОмкФ; и=50В; т=90 с/см2; \>=1,37 кГц.

Четвертая глава

В главе проводится анализ эксплуатационных характеристик полученного покрытия и дается характеристика композита (покрытие -промежуточный слой-основа)

Для оптимизирования эксплуатационных характеристик была выбрана жаростойкость.

Жаростойкость оценивалась по изменению массы образцов до и после выдержки в печи:

где Лги; - т - т0;

ш0 - масса образца с покрытием до помещения в печь;

ш - масса образца с покрытием после выдержки в печи.

Было сказано, что при настроенной акустической системе основными параметрами являются емкость и напряжение. Оптимизация эксплуатационных характеристик проводилась по этим факторам.

Вследствие обработки результатов методом наименьших квадратов получены линейные зависимости, отображенные графически: В = 44,28 -0,644 С; В = 5,831) - 313,7.

Дня полного описания жаростойкости параметры были оптимизированы путем проведения полного факторного эксперимента и получено уравнение регрессии

у = 0,33 + 0,62 X, + 0,14 Х2 + 0,08 X) Х2.

Уравнение полностью описывает изменение жаростойкости от основных технологических параметров и устанавливает режим, пр1 котором жаростойкость максимальна:

С= 12мкФ; и=50В; т=90 с/см2; и=1,37 кГц.

Оценка адгезионной прочности была проведена качественно. Дм чего использовался склерометрический метод.

На поверхность образца с покрытием наносится царапина Адгезионная прочность оценивается по полуширине зоны разрушенш (Г13Р) пс г.рытия ьи всей длине царапины.

ПЗР определяется после ряда измерений различной ширины разрушенного покрытия вдоль нанесенной царапины

Nj = 1

'l nJ - 2 dj: П: : _ 1 ч

4 i - 1

/

Здесь d- полуширина зоны разрушений материала;

d;j- значения ПЗР, измеряемые по всей длине царапины; nj- число ПЗР, по всей длине царапины; N- общее число царапин на всем образце;

Таким образом, для определения ПЗР образца нужно вычислялось среднее арифметическое значение ПЗР, измеренных по всей длине царапины и усреднялось затем по общему числу царапин на данном образце.

Качественная оценка адгезии проводилась по значениям ПЗР, с вероятностью 0,95. Чем меньше значение ПЗР, тем адгезия материала с покрытием лучше.

Исследовались покрытия, нанесенные на различных режимах. Установлено, что адгезионная прочность удовлетворительна для режима С=12мкФ, U=50B, т=90 с/см\ г»=1,37 кГц, который и является оптимальным при исследовании эксплуатационных характеристик.

С учетом всего сказанного было нанесено покрытие н проведено его комплексное исследование.

При металлографическом изучении композита (косой срез) наблюдаются три зоны. Первая-покрытие, которое имеет слоистую структуру и состоит из чешуек разного размера, отличающихся друг от друга размером и формой на 15-20%. Чешуйки ш.-еют вид зерна «злаковых». Основными структурными составляющими покрытия является у- твердый раствор на основе никеля, интерметаллидная фаза типа Ni3(Al, Ti, Nb), а также карбиды и карбоннтрнды.

Переходная - вторая зона - имеет более однородную структуру чешуек и состоит из округлых частиц, напоминающих вид зерна «бобовых», преимущественно ориентированных в контактной зоне перпендикулярно подложке. Отношение толщины второй зоны к первой колеблется от 1/5 до 1/10 и зависит как от режима электроакустической обработки, так и от толщины основы.

Третья зона- основа композита (сплав ЖС6У) остается без явных изменений, его структура и фазовый состав описан в главе 2.

Оптимальная толщина покрытия составляет 180-200 мкм, при пористости 0,94-0,98, которая сильно зависит от режимов электроакустического напыления. Жесткий режим повышает плотность покрытия.

Результаты экспериментов показали, что зависимость внутренних напряжений, возникающих в покрытии, от его толщины носит достаточно устойчивый общий характер. На начальном этапе образования промежуточного слоя возникают сильные растягивающие напряжения. При толщине покрытия менее 20-40мкм в нем формируются сжимающие напряжения, которые при дальнейшем росте покрытия переходят в растягивающие. Растягивающие напряжения при толщине покрытия порядка 200 мкм достигают максимального значения. Повышение электрических параметров режима способствует интенсивному повышению растягивающих напряжений на начальном этапе роста покрытия. При дальнейшем формировании покрытия следует снижать энергетические параметры, что приводит к более равномерному распределению внутренних напряжений

Для нанесенного покрытия экспериментальным путем установлено, что для образцов с покрытием величина привеса массы меньше, чес для образцов без покрытия, т.е. жаростойкость больше.

Методом РСА проведено исследование фазового состава окалины. Установлено появление шпинелей.

Также в результате проведенных экспериментов установлено: величина адгезии в 1,8 раза больше для покрытия, наносимого на оптимальном режиме, чем для покрытия, наносимого на режиме при котором коэффициент переноса материала максимален

Проведено изучение вопросов финишной обработки поверхностей после электроакустического нанесения защитных покрытий алмазным выглаживанием. Композит исследован на шероховатость. Величина шероховатости покрытия, нанесенного на оптимальном режиме удовлетворительна. Тем не менее, для практического применения материалов необходимо проведение финишной обработки или алмазного выглаживания.

В результате сказанного следует вывод: путем оптимизации процесса нанесения покрытия был выбран такой режим и такой состав электрода, которые обеспечивают достаточную эрозию выбранного электрода, причем величина массы переноса является функцией, зависящей от структуры материала анода и толщины покрытия.

Пятая глава

Аналитические возможности метода внутреннего трения хорошс известны и широко используются в «шзическом и прикладнол материаловедении. В рамках поставленных в работе задач в глав( рассмотрены: частный механизм релаксации при формированш покрытия, экспериментальные данные по внутреннему треник

¡сследуе.мых сплавов и композота; проведена сравнительная оценка 1емпфирующих свойств покрытий по расчетным формулам.

Описаны теоретические основы внутреннего трения и экспериментальные аспекты внутреннего трения в композиционном материале.

Исследуя механизм релаксации при формировании покрытия и проводя теоретический расчет высокотемпературного фона внутреннего грения композита, получена эмпирическая зависимость внутреннего трения от энергии активации (е), миграции вакансий и температуры О"1 ~ [<оехр(3/2 е к Т)]-0-3 Полученные экспериментальные данные были обсчитаны с доверительной вероятностью р=0,95 и аппроксимированы с учетом эмпирической формулы

Уравнения высокотемпературного фона внутреннего трения имеют

вид:

Для литого состояния

«^-г^.ю^ехр^1.01'10//)

Для термообработанного

Для композита

(Г1-*076-Ю5-ехр^2»43-10

Внутреннее трение связано с демпфирующей способностью. Проведена оценка этого фактора для материалов. Перерасчет внутреннего трения для композита относительно демпфирующей способности дал расхождение в пределах 2,1-2,6%. Выполненное сопоставление подтверждает надежность расчетных данных ВТФВТ. ВЫВОДЫ

1. Проведены комплексные исследования жаропрочных сплавов ЖСбУ и ЖС6У с микролегирующими добавками. Показана возможность применения таких сплавов для защитных покрытий.

2. Разработана и рекомендуется к внедрению технология нанесения защитных электроакустических покрытий, включающая в себя выбор материала электрода из жаропрочного никельхромового сплава.

Разработан оптимальный режим нанесения защитных покрытий, обеспечивающий максимальный коэффициент переноса массы: С=30мкФ; и=50В;т=90 с/см2; \>=1,37 кГц.

3. Изучены эксплуатационные характеристики полученного композита, такие как жаростойкость, адгезионная стойкость, шероховатость. Установлено, что для композита с покрытием, нанесенным на оптимальном режиме жаростойкость увеличивается в 1,6 раза, а адгезионная стойкость - в 1,8 раз.

4. Разработан оптимальный режим нанесения защитных покрытий, обеспечивающий повышение эксплуатационных характеристик (жаростойкости, адгезионной прочности): С=12мкФ; 11=50В; т=90 с/см2; г>= 1,37 кГц.

5. С целью обеспечения требуемой условиями эксплуатации шероховатости, в качестве финишной обработки, рекомендуется алмазное выглаживание, обеспечивающее шероховатость -0,5 мкм.

6. Методом внутреннего трения изучены структурные изменения, происходящие в материале. Получены зависимости внутреннего трения от основных факторов. Проведена оценка демпфирующей способности композита.

7. Рассмотренные в работе покрытия увеличивают сопротивляемость лопаточного сплава ЖС6У высокотемпературному окислению, так как в условиях длительного действия повышенных температур они не потеряли своих защитных свойств.

Дополнительная комбинированная обработка (ЭЛАН+алмазное

выглаживание) незначительно повышает жаростойкость, положительно

влияет на адгезионную прочность, увеличивая ее в 1,2-1,3 раза.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Разработка и исследование защитных покрытий из жаропрочных литы> никелевых сплавов для повышения эксплуатационных свойств деталей и узлов назначения./В.Н.Гадалов, Н.В. Джанчатова, Е.В.Сслезнева. 1 др. //Реализация регионал. научн.-техи. программ Центрально Черноземного региона: Материалы конф. (Воронеж, 3-4 декабря 199( г.) Воронеж: ВГУ, Том II. 1996. С. 129-141.

2. .Гадапов В.Н., Селезнева Е.В., Рощупкин В.М Исследование 1 оптимизация технологии электроакустического способа нанесете покрытий из жаропрочных никелевых сплавов путем математической моделирования.// Материалы и упрочняющие технологии: Тезись докладов V научно-технической конференции с международны? участием. Курск: КГТУ, 1997. С.38-39.

3. Возможности электроакустического способа получения покрыти специального назначения для жаропрочных никелевых сплаво /В.Н.Гадалов, В.М. Рощупкин, Е.В.Селезнева и др.: Материал!

Российской НТК «Сварка-97», (16-18 сентября 1997г.). Воронеж: ВГАСА, 1997. С.155.

4. Внутреннее трение электроакустических покрытий из жаропрочных литейных никельхромовых сплавов с добавками гафния и диспрозия/В.Н. Гадалов, Е.В. Селезнева, А.Г, Лоторев и др.: Тезисы докладов IX международной конференции (23-25 сентября 1997). Тула: ТулГУ, 1997. С.133.

5. Лазерная обработка литейных сплавов и плазменно-напыленных покрытий системы никель-хром/В.Н. Гадалов, В.А. Зуев, Е.В. Селезнева и др.//В кн. Ультразвук и термодинамические свойства вещества: Сборник научных трудов. Курск:Курский гос. пед. университет. 1997. С.121-132.

6. Гадалов В.Н., Селезнева Е.В., Зуев В.А. Структура и физико-механические свойства покрытий из жаропрочных сложнолегированных сплавов на никелевой основе/ Пленки и покрытия -98: Сборник докладов V международной конференции. С-Петербурп Полиплазма, 1998. С.395-396.

7. О возможности определения демпфирующих свойств конструкционных материалов с защитными экологическими покрытиями/В.Н. Гадалов,

B.М. Рошупкин, Е.В. Селезнева и др.// В кн. Медико-экологические информационные технологии: Тезисы докладов международной технической конференций 19-22 мая 1998 г.). Курск: КГТУ, 1998.

C.246-248.

8. Определение демпфирующих свойств материалов с защитными электроакустическими покрытиями нз жаропрочных литых никелевых сплавов/ В.Н. Гадалов, В.М. Рощупхин, Е.В. Селезнева и др. // Методы и средства измерений физических величин: Тезисы докладов 3 Всероссийской научно-технической конференции. ЧастьУШ. Нижний Новгород, 1998. С. 18.

9. Использование склерометрического метода для оценки эксплуатационных характеристик защитных покрытий/В.Н. Гадалов, Е.В. Селезнева и др.// Материалы и упрочняющие технологии-98: Тез. и мат. VI научно-технической конф. с международным участием. Курск:

Подписано к печати! 1.11.98 Формат 60x84 1/16. Печатных листов Тираж 100 экз. Заказ 1 г г

Курский государственный технический университет. 305040 г.Курск, ул.50 лет Октября, 94

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО

ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Селезнева Елена Васильевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, НАНОСИМЫХ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ НА ЖАРОПРОЧНЫЕ НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ

Специальность 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка

металлов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Гадалов В.Н.

Курск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1 ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ 6

1.1 Жаропрочные сплавы на никелевой основе 6

1.2 Нанесение защитных покрытий на жаропрочные никелевые сплавы 12 с целью повышения эксплуатационных свойств

1.3 Электроискровое и электроакустическое нанесение защитных 15

покрытий

1.3.1 Метод электроискрового легирования (ЭИЛ) 16

1.3.2 Электроакустическое нанесение защитных покрытий 23

1.4 Применение алмазного выглаживания для упрочнения 25 поверхностей в сочетании с электроакустическим нанесением покрытий

Заключение 26

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 29

2.1 Объекты исследования 29

2.2 Метод нанесения защитных покрытий 30

2.3. Структурные методы исследования 33

2.4. Электронная микроскопия 34

2.5 Физические методы 35

2.6 Испытания на жаростойкость и адгезию 36

2.7 Математические методы исследования 37

ГЛАВА 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИТА И 38 ОПТИМИЗАЦИЯ КИНЕТИКИ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

3.1 Характеристика сплава ЖС6У (подложка) 3 8

3.2 Характеристика сплава ЖС6У с микролегирующими добавками 42 гафния и диспрозия (покрытие)

3.3 Кинетика процесса нанесения защитного покрытия 42 электроакустическим способом

3.4 Оптимизация процесса электроакустического напыления образцов. 46 Построение математической модели, описывающей зависимости коэффициента переноса массы от параметров напыления.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА 56

ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВАХ

4.1 Эксплуатационные характеристики покрытия, полученного 56 электроакустическим способом

4.1.1 Жаростойкость 5 6

4.1.2 Адгезионная прочность покрытия 66

4.2 Характеристика композита 68 4.2.1 Структура и характер разрушения покрытия 69 4.3. Комбинированная обработка (алмазное выглаживание 77 электроакустических покрытий)

ГЛАВА 5 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 81

АСПЕКТЫ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ В КОМПОЗИЦИОННОМ МАТЕРИАЛЕ

5.1 Механизм релаксации при формировании покрытия 81

5.2 Теоретический расчет высокотемпературного фона внутреннего 84 трения покрытия

5.3 Экспериментальная зависимость внутреннего трения исследуемых 85 сплавов и композита

5.4 О возможности определения демпфирующих свойств 89 конструкционных материалов с защитными покрытиями

ВЫВОДЫ 91

ЛИТЕРАТУРА 96

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одним из методов повышения эффективности производства является увеличение ресурса изделий совершенствованием технологических процессов обработки деталей и узлов специальной техники. Кардинальное решение проблемы сочетания высокой прочности материалов и способности противостояния химическому разрушению при высоких температурах - создание жаростойких покрытий. Для работы в таких условиях, особенно в различных агрессивных средах, рекомендуются жаропрочные литые сплавы на никелевой основе или аналогичные сплавы с защитными покрытиями. Разрабатываются многокомпонентные покрытия на основе никеля с высоким содержанием хрома и алюминия с различными микродобавками, полученные методами электроискрового легирования, электроакустического нанесения покрытий, плазменной и лазерной обработки.

Выбор защитных покрытий различных составов и способов их формирования обеспечивает надежность специальных изделий и увеличивает время их эксплуатации.

Работы в этой области позволили обеспечить повышение эксплуатационных характеристик, создание более совершенных конструкционных машин, приборов, аппаратов, создание принципиально новых композиционных материалов, продлевавших сроки службы специальной техники и экономию металлов.

Для работы при высоких температурах и давлении, особенно в различных агрессивных газожидких средах рекомендуются литейные жаропрочные многокомпонентные сплавы с никельхромовой матрицей или эти же сплавы с защитными покрытиями. Необходимость востребования защитных покрытий в условиях рыночной экономики

важна также для восстановления изношенных узлов и изделий специальной техники из литых жаропрочных никельхромовых сплавов.

Создание материалов с удовлетворительными физико-механическими свойствами при высоких температурах не исключает их склонность к разрушению при эксплуатации в различных условиях. Поэтому, для обеспечения ресурса и надежности специальных изделий требуется изыскание защитных покрытий различных составов и способов их формирования.

Некоторые достижения в этой области были сделаны благодаря разработке ряда многокомпонентных покрытий на основе никеля с высоким содержанием хрома и алюминия с разными микродобавками, полученных методами электроискрового легирования, электроакустического нанесения покрытий, плазменного напыления, лазерной обработки и др.

Многообразие используемых и разрабатываемых методов нанесения покрытий обеспечивают решение самых сложных задач, выдвигаемых развивающейся техникой.

В связи с этим актуальной задачей современного энергомашиностроения является разработка и исследование технологии нанесения защитных покрытий, работоспособных в условиях высокотемпературного окисления и коррозии, что позволит их использовать для повышения надежности и долговечности конструкционных деталей.

Целью работы являлась разработка и изучение защитных покрытий для литейных жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6У, полученных электроакустическим и комбинированным методами для повышения их эксплуатационных характеристик.

Для решения поставленной цели с учетом представляемых задач проведен обзор литературных источников, отражающий состояние исследований по данному вопросу за последнее двадцатилетие.

ГЛАВА 1

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ (Обзор литературы)

1.1 Жаропрочные сплавы на никелевой основе

Жаропрочные сплавы на никелевой основе системы № - Сг - Со -Мо - А1 - №> - основной материал для изготовления лопаток современных и перспективных газотурбинных двигателей. Они представляют собой сложные многокомпонентные гетерофазные системы, уровень жаропрочности и термическая стабильность которых определяется рядом термодинамических, кинетических и структурных факторов. К термодинамическим факторам относятся: энергия межфазных границ, степень растворимости легирующих элементов в фазовых составляющих и температурная область существования упрочняющих фаз. Основной кинетический фактор - диффузионная подвижность легирующих элементов в фазах и на многочисленных поверхностях раздела. Структурные факторы -количество, размер, морфология и распределение структурных составляющих, а также степени структурного совершенства и разнообразные внутренние поверхности раздела ( границы зерен, микропоры, межфазные поверхности раздела, субструктура и т.д.).

Современные жаропрочные сплавы на никелевой основе по химическому составу являются наиболее сложными из всех существующих сплавов. Их разработка, как правило, осуществляется одновременно и в непосредственной связи с развитием новых металловедческих принципов.

Отличительной особенностью химического состава литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе является то, что они содержат основные легирующие элементы в больших количествах, чем деформируемые сплавы. В литейных сплавах всегда выше содержание

углерода, у7 - образующих элементов, а также таких элементов, как молибден и вольфрам. Это необходимо для обеспечения высокого уровня жаропрочности, поскольку литейные жаропрочные сплавы предназначены для работы в более тяжелых условиях.

Распространенной группой сплавов, работающих при высоких температурах, вплоть до 1373 К, и обладающих высокой жаропрочностью, являются высокожаропрочные сплавы ЖС6У, МАК-М-200, Т11\\М900 и др. Используются они для изготовления высоконагруженных деталей - это рабочие и сопловые лопатки, цельнолитые роторы и турбины как с кратковременным, так и длительным (более 5000 час) сроком службы. Основной упрочняющей фазой в этих сплавах является стабильная у'- фаза №з(А1, Т1, №>). Количество у7- фазы достигает более 45% . Наиболее жаропрочный отечественный сплав ЖС6У упрочнен у7- фазой на основе №3 ( А1, Тл, ЫЪ).

К настоящему времени разрабатываются и проходят промышленное испытание сплавы с фазой №з(А1, №>) , представляющие значительный интерес в силу того, что ниобий в большей степени, чем титан стабилизирует у7 - фазу.

Для увеличения пластичности, которая резко снижается из-за большого количества у7- фазы , повышенного количества молибдена и вольфрама, а также углерода, в эти сплавы введен кобальт. Кобальт в жаропрочных сплавах не только повышает запас пластичности и вязкости, но и положительно влияет на жаропрочность за счет повышения температуры выделения и устойчивости у' - фазы, уменьшения растворимости А1 и Тл и некоторого увеличения количества у'- фазы. Кроме того, кобальт повышает температуру плавления и уменьшает ликвацию в сплавах. Жаропрочность таких сплавов непрерывно возрастает при увеличении Е ( А1 + Л + №>). Наряду

с этим, сплавы, легированные большим количеством кобальта при минимальном содержании вольфрама, имеют не только высокую пластичность и длительную прочность, но и обладают высокой длительной жаропрочностью.

Нагрев некоторых сплавов до температур выше 1000 °С вызывает образование сплошной сетки карбидов по границам зерен и обеднение приграничных зон карбидообразующими элементами. Выделяются частицы игольчатой формы - двойные карбиды, имеющие преимущественно направленную ориентацию. Однако значительное повышение пластичности сплава в интервале температур 1000-1100°С связано, в первую очередь, с активным растворением у 'г фазы в матрице сплава.

Карбиды в жаропрочных сплавах на никелевой основе образуются преимущественно по границам зерен. К числу карбидообразующих элементов относятся Сг, Мо, V, М>, Та и Н£ Роль карбидов в жаропрочных сплавах значительно более сложна и менее изучена с теоретической точки зрения, чем роль у' - фазы. Имеют место два конкурирующих между собой механизма воздействия карбидов на высокотемпературные механические свойства сплава: карбиды, распределенные вдоль границ зерен, оказывают положительное влияние на прочность, затрудняя зернограничное проскальзывание, но в то же время карбиды определенной морфологии отрицательно влияют на вязкость разрушения.

При образовании карбидов наблюдается также эффект, связанный с удалением карбидообразующих элементов из прилегающих к межзеренной границе областей матрицы. При разработке сплава карбиды используют для улучшения механических свойств при повышенных температурах, и, одновременно, уменьшения отрицательного влияния на вязкость разрушения за счет благоприятной морфологии их выделений.

Существуют четыре основных типа карбидов.

Карбид МС, выпадающий при затвердевании сплава, образует грубые выделения как по границам матрицы, так и внутри зерен. Термически наиболее устойчивым соединением является НЮ (положительное влияние оказывает введение менее 1,5 % НТ), затем карбиды титана, тантала, ниобия и ванадия.

В литейных сплавах сетка МС - карбида в форме иероглифов под влиянием Ш распадается на отдельные сфероидизованные выделения. НГ также входит в состав у7 - фазы, которая при этом имеет дендритообразную форму вместо обычных выделений кубической формы. В результате этого границы зерен из гладких становятся зигзагообразными. Низкотемпературная пластичность улучшается вследствие изменения морфологии карбидов, а пилообразная форма границ улучшает сопротивление ползучести при повышенной температуре. Гафний добавляют также для того, чтобы облегчить процесс протекания направленной кристаллизации в жаропрочных сплавах.

При более низких температурах карбиды типа МС могут превратиться в более стабильные карбиды М2зСб.

Карбиды М2зСб оказывают существенное влияние на механические свойства жаропрочных сплавов. Они образуют дискретные крупные выделения по границам зерен и в этой форме играют по преимуществу положительную роль, предотвращая зернограничное проскальзывание, но могут отрицательно влиять на пластичность сплава, выделяясь вдоль границ в виде непрерывной хрупкой пленки. Следует, однако, иметь в виду, что и при распределении этих карбидов по границам в виде отдельных частиц пластичность снижается в результате нарушения целостности границы "матрица - карбид" или разрушения самой частицы.

Карбид Сг7Сз образуется в виде крупных выделений по границам зерен в жаропрочных сплавах с малым содержанием Сг. В более сложных сплавах эти карбиды нестабильны и переходят в М2зСб.

Карбиды МбС оказывают влияние на механические свойства, подобное влиянию карбидов МгзСб, однако они устойчивы при более высоких температурах.

Лопатки турбин работают в среде горячих высокоагрессивных газов, поэтому они должны обладать высокой стойкостью к окислению и коррозии. Достичь этого можно введением в сплав легирующих добавок различного вида.

Введение в сплавы гафния или циркония до 0,3 % не оказывают заметного влияния на количество структурных составляющих. При этом почти в полтора раза уменьшается величина дендритных ячеек.

Увеличение содержания добавок более 0,3% приводит к увеличению количества у ' - фазы. Так, введение в сплав ЖС6У 1,0% гафния увеличивает количество первичной у 1 - фазы до 9,2% (объемн.) против 3,8% без добавок, что существенно ухудшает свойства сплавов. Увеличивается также доля охрупчивающей а- фазы .

Положительное влияние оказывают активные добавки на состав карбидных фаз. В сплавах, легированных гафнием и цирконием, образуются устойчивые первичные карбидные фазы: карбонитриды (Т1, Щ Сг, (СИ)), стабилизируются сложные карбиды. Образование более стабильных карбидных фаз с гафнием и цирконием обеспечивает повышение температуры эвтектики на 50 - 80 °С, что повышает жаропрочность сплавов.

В сплаве ЖС6У с добавками гафния , циркония и диспрозия частицы у ' - фазы имеют более высокую дисперсность и равномерно распределены по объему, они также более устойчивы против коагуляции. В то же время, в исходном сплаве у' - фаза распределена неравномерно и размеры ее колеблются в очень широких пределах. Эти сведения

подтверждают, что активные добавки снижают диффузионную подвижность атомов алюминия и титана, тем самым стабилизируют у 7 -фазу. Более активно повышают стабильность у7 - фазы добавки гафния.

Лантаноиды, при их введении в сплав в небольших количествах, концентрируются преимущественно на межфазных и межзеренных границах. Диспрозий при содержании его 0,1% , видимо, также располагается в этих объемах. Начиная с содержания диспрозия 0,3% (при 0,5 - 1,0% Ш), по границам зерен начинают проявляться единичные фазы с неправильной огранкой, идентифицированные как сульфид диспрозия, что приводит к очищению сплавов от вредных примесей.

Общими признаками макро- и микроструктуры литейных жаропрочных сплавов как в литом, так и термообработанном состояниях является крупное разнородное макро- и микрозерно с явно выраженным разветвленным дендритным строением. Поскольку формирование структуры всех литейных сплавов заканчивается эвтектической кристаллизацией, их микроструктура характеризуется явно выраженной дендритной ликвацией. Междендритные и межзеренные пространства заполнены эвтектическими колониями, форма которых изменяется в зависимости от степени насыщения сплава легирующими элементами и технологической обработки от псевдоэвтектики до явной эвтектики в сплавах типа ЖС6У.

В сплаве ЖС6У с содержанием углерода до 0,2%, Е ( А1 + Тл + №>) = 9%, £(Сг + Мо + = 21% в ликвационной зоне можно обнаружить эвтектику, состоящую из твердого раствора, первичной уфазы, карбонитридов (Т^МзХС^К) и сложных карбидов типа (Т1,№^,Мо)С. Причем, доля первичной у7- фазы в эвтектике весьма значительна. Увеличение углерода до 0, 5% приводит к резкому разветвлению эвтектики и увеличению занимаемого ею объема.

Эвтектика в литых жаропрочных сплавах, однако, оказывает и положительное влияние. В процессе эвтектической кристаллизации

11

образуются различные вторичные фазы (карбиды, бориды, первичная у -фаза и др.), при этом снижается концентрационное переохлаждение за счет уменьшения концентрации элементов, входящих в эти фазы, в ликвационной зоне. Этому также способствует выделение теплоты образования вторичных фаз. Снижение степени переохлаждения на г