автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка методики определения фазового состава и основных характеристик технологии получения диффузионных покрытий на наружных и внутренних поверхностях деталей машин

РГО ол

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УШВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА

На правах рукописи ;

. УНЧИКОВА МАРИНА ВАСИЛЬЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЩЩЕНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПОКРЫТИИ НА НАРУЖНЫХ И ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ МА!1!ИН

Специальность 05.I6.0X - Металловедение и , термическая обработка

металлов

. АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на со..екание ученой степени ' кандидата технических наук

Работе выполнена в Государственном Техническом Университете

имени Н.Э. Баумана. Научный руководитель: Заслуионный деятель науки

и техники РФ,

профессор, доктор-технических наук Б.Н. АРЗАЫАСОВ

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

В.Н. Симонов

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

Н.В. Абраимов, кандидат технических наук, зав. сектором НПО НИИТАвтопром В.Н.Глущенко

НИЦЦ (научно-исследовательский инсти-Ввдущее предприятие: тут технологии'и организации производства двигателе*).'

Защита диооертации состоится (мплСц'Сс.Я 1993 года на

заседании специализированного совета о 0Б3.4Б.13 Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. .Баумана по адресу:, 107006, Москва, 2-я Бауманская, 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре,, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу., " \ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ^-МТУ им. Н.Э. Баумана..' ■. ' '

1 I

Телефон |Д|Пя справок 267-09-63. Автореферат разослан 993 годе.

-1/

1 'с •-■'■ - ,

Ученый секретарь ,■ Х-->.у,;'/' .'<*-

специализированного совета, * (У<щ-Уг'

кандидат технических наук, доцент /г<4»у ( Шубин И.Н.

Подписано к печати Д //. п Объем I п.л. ТщхЦ 100 акв. ' . Заадэ Я . .3"Я Ротапринт МШ им, Н.Э. Баумана

ОБЩАЯ. ХАРАКТЕРИСТИК. РАБОТА'

Актуальность. Увеличение долговечности многих деталей судо-отроения, химической и авиационной промышленности тесно связано с разработкой новых защитных покрытий и усовершенствованием техноло-пга их нанесения как на наружные, так и внутренние поверхности.

Высокое качество покрытий, простота и невысокая стоимость оборудования обуславливают широкое применение диффузионного насы -яеиия сплавов. В этом случае ^газовый состав и толщина полученного покрытия завися- от многих технологических факторов хшико-термической обработки (ХТО): состава насыщавдей атмосферы, температуры и продолжительности процесса, состояния поверхности и т.д. Определение зависимости между технологическими фактора™ и "структурой покрытая весьма актуально для создания систем управления процессом и виборз оптмздыш режимов ХТО, обеспечивающих требуе-М1Й КОМПЛОКС свойств поььрхкостного слоя.

Наиболее э-ЭДеетквЕШ способом рзшенкя этой задачи является 1,:од(илфовагсю, осиовашюе на статистической обработке экспериментальных данных или .^оталтащга основных физико-химических процессов, легаяца в основе диффузионного иасвщешт. В настоящее время математические модели разработаны лень для -хорошо изученных про-цосссн газового азотирования и цементации в контролируемых атмосферах. Для получения т» защтжх жаростойких покрытий в промышленности широко используется актирование в поро.зковых смесях. Однако, указанный метод имеет суще отвитые недостатки, особенно очевидные яри даКу?ксшюм насыненил узк..... каналов большой протяженности. Более перспективным и универсальным является газовый циркуляционный метод, позволяющий получать покрытия на наружных и внутренних поверхностях деталей любого профиля и расмерз.

Цель работы заключается в определении требуемых резмнов али-тирования наружных и внутренних поверхностей деталей машин циркуляционным методом на основе моделирования процессов диффузионного насыщения.

Б работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Установлены основные технологические факторы, опр-эделяшие фазоьып сос'!^ъ и толщину поверхностного слоя.

2. Выбран метод термодина;,глческого расчета, результаты которого зависят от соотношения компонентов в зоне реакции.

3. Выполнен расчет изотермических сечений двойных и тройных

диаграмм металлогазовых систем.

4. Установлено влияние технологических факторов ХТО на соотношение компонентов на поверхности детали при диффузионном насыщении циркуляционным методом.

Б. Расчетным путем определены концентрации диффундирующего элемента на поверхности детали и в газовой фазе; полученные значения использовались в качестве исхода}'", данных для расчета распределения диффундирующего элемента в покрытии.

6. Определена причина неравномерности покрытий во внутренних, полостях.

7. Сконструирован и изготовлен лабораторный стенд для исследования массоотдачи из газового потока.

Научная новизна. Разработана методика расчета фаяового состава и толщины покрытия в зависимости от технологических факторов процесса ХТО циркуляционным методом (температуры процесса, давления, размеров рабочего пространства и насыщаемой поверхности деталей, продолжительности насыщения).

Термодинамическим расчетом установлено и экспериментально подтверждено влияние хлоридного и иодидного активаторов на насыщающую способность среда при процессе актирования.

Установлена зависимость изменения состава газовой среда от технологических фактороттра диффузионном насыщении внутренних полостей и расчитэна минимально допустимая скорость газовог. потока, обеспечивающая получение равномерных покрытий на трубчатых изделиях. .

Практическая ценность работы заключается в следующем.

Размотана и экспериментально подтверждена методика расчета фазового ^оставз и толщины покрытия, позволяющая существенно сократить з^раты времени и материалов для определения режимов ХТО циркуляционным методом. \ , .

Разработаны практические рекомендации да, выбору технологических факторов, обеспечивающих получение равномерных внутренних покрытий.; ■ Д

Разработана экспериментальная методика исследования массоотдачи диффундирующего элемента из газовой среда,, позволяющая определять скорость потока, необходимую для получения равномерных покрытий ¿о внутренних полостях деталей сложной конфигурации. На данную методику получено авторское свидетельство # 1148449 "Способ

рагистрации картины обтекания газовым потоком".

Разработанные практические рекомендации по определению значений технологических факторов ХТО аиш использованы для выбора режима алитирования лопаток ГТД в лабораторной и опытно-промышленных циркуляционных установках. Полученные диффузионные покрытия на наружных и внутренних поверхностях лопаток ГТД отвечают предъявляемым требованиям к фазовому составу и толщине диффузионного слоя.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедра "Материаловедение и термичес .ая обработка" МГТУ им. Н.Э.Баумана, Всесоюзной научно-технической конференции "Жаре: тойоте и теплозащитные покрытия для лопаток ГТД" "(Москва, 1984 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы технолога: машиностроения" (Москва, 1986 ), Всесоюзном семинаре-совещании "Коррозиониостойше жаропрочные сплавы и защитные покрытия для транспортных ГТД" (Николаев, 1988 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4.печатные работы, получено I авторское свидетельство.

Объем диссертации, диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка,-литературы из 79 наименований, содержит 169 страниц машинописного текста, 57 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении . показана актуальность разработки моделей процессов диффузионного насыщения для определения режимов ХТО, обеспечивающих требуемый комплекс свойств поверхностного слоя; обоснован выбор и показана перспективность газового циркуляционного метода по сравнению с порошковой технологией, формулируется цель работы, ее научная новизна и практическое энсчеиие.

В первой глава на оскоизшта обзора теоретических и экспериментальных дпшшх раскрыта сущность диффузионного нвсыщвния металлов .1 сшгзвоз. ПрЕЕбдено' апяс&ние и дана сравнительная оценка основных способов получения диффузионных алшинидаых покрытий на наружных, так и внутренних поверхностях' деталей: метода погружения, порошкового -нового циркуляционного. Отмечается единый механизм порошкового л газового циркуляционного методов и перечисляются основные стадии- формирования покрытий: образование активных

соединений п насыщающей среде и массоперенос лх к изделию, адеоро ция и хемосорбция атомов диффундирующего элемента подложкой и по следующая диффузия их в глубь металла.

На основании анализа влияния технологических факторов на ттрс ^ теканиэ каадой стадии делается вывод о достаточно сложной зависи' мости коночной структуры покрытия от режима ХТО, и предлагаете? для определения значений технологических факторов мспользоват; моделирование процесса. Рассмотрены два способа моделирования: ir база физико-химического описания процесса и статистической обра Сотке .экспериментальных данных.

Теоретически модели процессов диффузионного насыщения в отличие от статистических позволяют исследовать процесс во всем диапазона технологических факторов, и их построение включает следующие этапы:

1, Описание процессов, происходящих в активной среде, с цель»! определений зависимости мозду входными технологическими факторами процесса и потенциалом среди. -

2. Устаноалодао зависимости между активностью среда и ыассо-переносом диффувдирующэго зшшввха па васштомую поверхность с учетом свойств обрабатываемого изделия.

• 3. Описание кинетики де-ЭДузионного аасшзния к определение ршврбД'изшш диффундирующего елемектп по талзлае слоя.

В зависимости от задачи исследования ¡..одели :,югут описывать s-гсь технологический цикл различию aro стадаи. щпэ-лпеишп шша «удастзуйдах моделей показал, что для установления пзгяко-сбяэи активное чью среда а назовем соетьзоа ¿"tñi/szomvo

слон, кИчра рациональной насыщащэй атмосферы, шшЗолг.о з^соют.--ьон тормойашюческмЛ расчет, в то re щйуя расчет кояцзнтртдеп->их кр;:£н£ связан с рашанием дпффузиршюй загачз.

Нмаяиравгнио процесса деФФуэиошого паезцешя позво шт рос-считывать значения ?ахЕолэгичвских факторов, обзепечввогспх получали.' liOKp'UTÍ'.n В СООТЕС-ГСТЬйИ С ЭК(Я1ЛУ£?аЦК0<Шг51 ТрйБйТПТЯ?.пг к поверхностному слою. В данпой работе рзкомендшп? по олродокш» технолог»1 ^ с.чах факторов используются для разработки технологии алтгироьанкя иарумих н внутренних поверхностей лопаток ГТД, что позволит рэшитъ одну из задач, остро стоящих "в области двигателе строения' и связанную с заменой порошковой технология алитарова-Ш1я вну.решзих полостей на более прогрессивную. Как следует из

литературного обзора экспериментальных данных, для лопаток ГТД, изготовленных из никелевых жаропрочных сплавов, наиболее удовлетворительным комплексом свойств, включающих жаропрочность, жаро- и термостойкость, обладают, понятия толщиной 30-40 ккм с'концентрацией алюминия от 23 до 30 что соотвэтствует фазе достехиометри-ческого моноалшшвда никеля.

Во второй главе описаны методики нанесения шкрнтий на лабораторной и отштно-промшенной циркуляционных установках, а также метода исследован..^ состава и структура покрытий. Исследования проводили на фольгах и массивных образйах из никеля {Г2, образцах и лопатках ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖрбУ, образцах из стали таиашж.и стали ,10^

¿дотирование опытных;образцов выполнялось на лаборатоной циркуляционной установке. ^ качестве: активатора использоврчся кристаллический иод или треххюристый'алюминий. Исходным материалом для нанесения покрытия служил гранулированный алюминий.

Структуру покрытия, исследовали металлографически на микроскопе : ШШОТ-21, состав, - юйсроронтгеноспектральным анализом на инергодиспорсюшом рентгеновском спектрометре марки "ИЩг" АН 10/85 Э и рентгенаструктУрнш анализом на дифрактометрв ДРОН 3.

Отработка технологии алитирования лопаток ГТД выполнялась при частично и полностью загруженном приспособлении на, опытно-промышленной циркуляционной установке во ВНИИЭТО.

■ Третья глава посвящена разработке модели диффузионного насыщения и.'методики расчета' фазового . состава покрытия в зависимости от -технологических факторов ХТО циркуляционным методом.

Термодинамический анализ состояния системы, в качестве которой выбрано рабочее пространство установки, показал, что в системе достигается стационарное состояние. Это возможно за счет'того, что диффузионное, насыщение циркуляционным методом базируется. на -обратимых .химических реакциях-,, протекающих над источником и поверхностью деталей. Таким .образом, ' формирование покрытия происходит сначала при возрастающем алюминидном потенциале среды, а после достижения стационарного состояния - пра постоянном потенциале и постоянной концентрации диффундирующего элемента на поверхности детали. • . »

Вместе с тем показано,, что за время насыщения не достигается состояние равновесия системы в целсм, так как из-за различия ак-

тивности алюминия в источнике .и на насыщаемой поверхности существует градиент химического потенциала, Отсутст ие равновесия в системе в целом позволяет, однако, говорить о локальных равновесиях в небольших ее частях. Состояние локально равновесных объемов определяется основными уравнениями'термодинамики, которые можно использовать для расчета равновесий: источник диффундирующего элемента - насыщающая среда и насыщающая среда - насыщаемые детали.

В данной работе в качестве критерия равновесия выбрано условие минимума 'энергии ГиООса химически реагирующих пидсистем при независимых параметрах ? и У, „•

Достижение- :Функци&Й.'; А0°вакции минимального значения при участии в,реакции заданного количества реагентов возможно за счет изменения номенклатуры в.'количества образующихся веществ, т.е. за счет варьирования стохиометричоских 'коэффициентов X., которые в то аз время доданы.удовлетворять' условии ратйриального баланса.

;где ' 1\' - -определенное' • |к«^ич^ствр. взаимодействующего химического элемёвта Bj- Г.

• , X¡ - стехиомэтрический Коф^ащгэн'г J-того соединения;

• С.л - количество.атомов в.''соедащешга 'V'; "• '.'Z - количества. химя'чёфк Ьлгментову участвующих в

' реакции; : . ; . .'/'."."'•

! ; . '-'п .- количество проектов реакции. -

/оптимизационная задача :реайас}| ^юяьязкс-методои на ЭВМ ЕС- 1022^ Был выполнен''расчет-'''изртбрю1Чос:|ях„сечений (Г- 1273 К) еле-. . дующих 'систем .М-Г,. Ál-Cl, ¡H-Al-Cl, ;Для этого

сначала зашаталась 'р^акйЯ.'Бзаи'М^еййткгя мзкду елементамк системы:1 в левой части, уравнения - исходные, вещества, в правой - все возможные соединения, образованные ';э,тими компонентами. Далее сос-. тавлялась уравнения материального баланса .по каждому компоненту и выражение оптимизируемой , -функции.;'•Каждая фаза -диаграмм Kl-AV, Fe-Al была представлена несколькими отдалениями с различным содержанием атомов компонентов, что поЗво^яйю учесть переменный состав этих фаз. В,качестве примера пта: действия, уравнений материального 6íj, дм самый Кt-Al-Cl.

иье^щна запись реакции вззиыо-лая(р и оптимизируемая функция

а т + ь С1 * С лг = х, т„А1д . хг + хэ тааА\л +

+ + х, тплг„ * ха тллА1ал * х, т„А1ло ■

* X ЯЧСГ + X + X 01 + хмсг„и„

17 г 1в го гкрист.

условия материального баланса 95 X г 90 X, + 86 X. * 77 X. + 73 X, + 64Г + 60 X + 50 X +

12943076

+ 55 Хе ♦ 45 Х10 * 41 Х„ * 40 Х,г * X , ♦ * Х2ф < а + г Х,4 * з !„•+ б х,„ + 2 Х17 + х„ + х1Я + 2 хго < ъ 5 Х1 + 10 Х2 + »4 X, + 23 X, + 27 Хв + 36 Хл * 40 X, + 50 X. + + 45 Хр л 55 Х1о * 59 Х„ + 60 Х„ + Х>9 + X Х„ ♦ 2 Х1й< с

оптимизируемая функция

+ ^ + ... + X „ДО* + X ЛС? —» тШ

1 ьн а1 а а\ 1«» с1 2 о тс1

оз о ро ю г

Во всех рассматриваемых системах суммарное количество колей вз8Шодейс£йу»8ВХ. компонентов принималось за 100 ж, что позволило результата расчета представить в виде изотермических сечений двойных и тройных диаграмм.

Соност^ыйшм полученных даншх для систем А1-Г к А1--1'е-Г показывает, что образование интермталлидов алюминия возможно лиаь в среде ндашкх галогенидов алююгаия А101г, ЛС1 и АН. В то же время образование покрытая невозможно в среде А1С1з и АПз, а увеличение содержания хлора и иода в газовой среде мояот привести к разъедчнию поверхности насыщаемого металла за счет образования летучих соединений 1Н01Я, ЯНг, ?е01%.

Реальные соотношения реагентов на поверхности детали, опродо-дяхдав фазовый состав покрытия, в свою очередь зависят от рекима • ХТО. В связи с &иш для прогнозирования состава покрытия н&обходи-мо установить взаимосвязь меаду количеством молей ¡реагирующих компонентов и технологическими факторами процесса диффузиошгаго ЛЗСи-ЩОНИЯ. '

Для прогнозирования фазового состава покрытая в зависимости от технологических факторов предлагается следующая последователь-

ность расчета

1. Расчет парциальных давлений галогенидов алюминия через константы равновесия реакций на поверхности источника диффундирующего элемента. Например, для хлоридной среда реакции взаимодействия имеют вид: . °

2/3 А1С1г + 1/3 AI = А101г (I) 1/3 А1С1В + 2/3 AI = ;.:01 (2)

-Ао°/*т

в 1 = р

AlCl А1С1 а . Z В Al

-До /кт

е г =■ Р а

V AlCl rAVCls Al

\ w ** рА1С1 + £s paici =3 «w :

2 a • •

где последнее уравнение выражает условие .материального баланса по хлору, загружаемому в рабочее пространство объмом V, в виде треххлористого алюминия массой мМс1 ,

V х A.b. . 2 V х A.B. . * 3 V" х A.B. .

V с * V 2Г --1

-RT Н.В.А1С1 -TT М.в. Л' ИГ М.в.д,с1 .

г з

М.в. - молекулярный вес данного химического соединения

2. Расчет количества молей алюминия-и галогена в насыщающей

среде

А.В.Д1 X PÄlIV х У Г А.в.г X t X РА1Г1 * -v паЧ\ ИТ М.в.д1Г '-• nAirt- ТТЖв^

где , п а1Г - количество молей соответственно алюминия и

i • i

галогена в галогениде AlTi при РД1Г ; 1 * ^ j t - количество атомов Г в галогениде -ДХГ.

3. ¡йасчет количества молей металла, участвующего в реакции

' ; ! п«® Ш Х SAer.X П * РНЭ

•! Т

где S г г суммарная насыщаемая поверхность деталей; h - толщина поверхностного слоя; 1

р,^- плотность металла; - д

п >■ уэфЗ&цаент, учитывающий содержание алюминия в поверхностном слое; m = 0,7-0,8 ; i . ' Д.в.Нв'- атомный вес насыщаемого металла \ '"

4. Перерасчет количества молей каждого конЬонента, исходя из условии + + пМэ = Пъ = 100, и определение фазового' соста-

ва покрытия по концентрациоиному треугольнику Л-Ые-Г.

По данной методике была расчитаяа концентрация алюминия в газовой среде и на поверхности детали в зависимости от температуры процесса, загрузки галогенида, размеров рабочего пространства и насыщаемой поверхности деталей.

Результаты расчета показали, что при повышении температура источника диффундирующего элемента до 1200 и 1400 К и уменьшении размера садки деталей, поверхностная концентрация алюминия значительно увеличивается, и верхний слой покрытия представляет р или 6-фазу. В то же время установлено, что величина загрузки галогенида в рабочее пространство установки не влияет на фазовый состав покрытия при избыточной массе алюминия в источнике.

Предложенная методика позволила также рассчитать для лабораторной и опытно-промышленной циркуляционных установок минимальную загрузку алюминия необходимую для поддержания равновесного состава газовой среды при данной температуре и получения моноалшинида никеля толщиной 20 мкм на различной насыщаемой поверхности.

В четвертой главе описана методика и приведен расчет распределения диффундирующего элемента в многослойном покрытии. Расчет выполнен при следующих допущениях: лимитирующей стадией формирования покрытия является диффузионный массоперенос в твердом теле; коэффициенты взаимной' диффузии не зависят от концентрации компонентов в пределах области гомогенности данной фазы; в процессе насыщения концентрации на границах слоев соответствуют равновесным.

Формирование многослойного покрытия рассматривалось как результат объемной диффузии в полубесконечное тело. Изменение концентрации диффундирующего элемента в кавдой фазе в соответствия со вторым законом Фика описывалось уравнением

— = 1= t.2...ffl at Л дхг а движение границ слоев - уравнением

ii-1Ь_:_

• ~ са. ,а." са. ,а. , '

1+1 ' i К ■ Hi

где - скорость движения t границы;

г «I I я - 5 ¿С I

h» ах • ^ \ ах

потоки диффундирующего элемента слева (-)' и справа (+) от грагаозг

t.

Задача решалась при условии пост^шства концентрации диффундирующего элемента на поверхности детали с = ce = const. Значении са, а также концентрация алюминия в газовой фазе определялись термодинамическим расчетом в зависимости от режима ХТО. э При определении начальных условий считал!, что к моменту достижения системой стационарного состояния в покрытии присутствуют все предполагаемые фазы, имеющие толщину, равную I % от ожидаемых значений. Также полагали, что распределение' диффундирующего элемента по слоям имеет линейный характер.

. Дифференциальные уравнения решались методом конечных разностей на ПЭВМ EC-I840.

Был выполнен расчет распределения диффундирующего элемента в покрытии на никеле при алитировании в циркуляционной установке

(S___ / V = 0,64 м~* и S,., /V = 2,4 м"1) по следующему режиму:

ТАат_ = З'ист.= 1273 К, ? = Ю- Па, -с - 1+8 Ч.

Установлено, что алитированные покрытия толщиной 30-40 мкм образуются на никеле при продолжительности процесса % = 3 + 4 ч.

На основании термодинамического расчета и расчета распределения ди^Фунднруклазго элемента к поверхностном слое была построена номэграша (рисЛ) для определения режимов шокировании никеля. Так, получение на поверхности детали фазы достехиомеараческого моноалшшвда никеля (сл1 = 23 % мае.) и толцптш' покрытия "5 шем возмомю при алитированиц гаже ля ко слодуадеку режиму:

ц) в лабораторной циркуляционной установке (V ^ 0,013 f,:3, S„, - S л = 83-10"* м2, S, Л' = 0,64 и "') при условии Р =

А лоп&тки ''

*.I0S Па, "дат_ « 1273 К. У11СТ> - 1100. К, > 6 Г, t = 4 ч.

0) \Ц оштно-1фомшлешюй циркуляционной установке (V = = 0,23 Mil = 2е5лопаток-54.10-г м', SAirm/V = 2.4 м ") при усломш if, « 500 На, 1273 Ц, T(1ST_ - 1300 К, > 30 г,

1 = 4«.., !

Пятая; глава посвящена проверке адекватности кздоли диффу-злонногс #асищзния циркуляционным методом и экспериментальному апредолеш-'1 режимов алятировашя нарушшх и вдутревгглх поверхностей лопатой ГТД. -

Для фдтьерждашш результатов мод-^агров,анц;} проведены процессы йлктирехвания южеля и сплава ЖС6У в лабораторной кфкудшгоныей

Ю

1 _ «а*. ^

_____ . Д ч» 13 *.

Ь ¡ei"-""

___.—~

2 ' ; 3: 1400 К, P IQ3- Па 1300 К. P = FQO Пз ^ 1200 К. P - IQ» Па Д00 K, P = IO3 Па

•t, ч

O.S I

2^274

.Rio, I. Номограмма для выбора реюма алитировшшя швсоля

установка. 3 качестве варьируемых технологически факторов были шбраня загрузка галогекндэ в виде кристаллического кода (п£ =

"20т60 г)' ;Ш1 мреххлористого алюминия (па1с1 = 10-20 г),_

в

температура процесса (У = 1173+1273 К) и продолжительность насыщения (а=.3+8 ч). .

В пределах указанных, режимов ХТО получена идентичная двухслойная структура покрытия, различающаяся лишь поверхностной концентрацией алюминия и ■ толщиной диффузионного слоя. Внешня зона аякмшидшгх, покрытий на никелевых образцах была идентифицирована как ff(41, внутренняя - как Nt3Al. Микрорентгеноспэктральвый анализ' показал, что поверхностная концентрация алюминия не зависит от загрузки галогенида и времени насыщения. Понижение температура процесса от 1273 К до 1173 К в изотермических условиях его проведения привело к уменьшению концентрации алюминия от 25,47 % до 21,16 %, хотя и не отразилось на Фазовом составе покрытия.

Анализ кривых распределения алюминия по слою показал.удовлет-

верительное совпадение экспериментальных н расчетных кривых, было установлено, что различие в расчетных и экепериу нтальных значениях толщины покрытия и поверхностной концентрации диффундирующего элемента не превышает 5-10 % при алитировании никеля в хлоридцоп среде.

Покрытие на сплаве ЖС6У в отличие от алюминидных покрытий на никелевых образцах имело меньшую толщину и многофазную структуру внутреннее зоны, что связано с диффузией легирующих элементов к поверхности; ",

. Однако определение оптимальных режимов нанесения покрытий во внутренних полостях требует проведения дополнительных исследований. Это связано с тем, что при ХТО узких каналов большой протяженности из-за ограниченного "запаса"; диффундирующего элемента возможно изменение-состава;газовой среды, приводящее к неоднородной структуре' и неравномерной , толцян^ покрытия.

Для предварительной оценки ьлияйия i различных техйологических факторов на равномерность внутренних1 покрытий на лопатках ГТД был постёвлен ^ Полный факторный эксперимент,! включающий 16 опытов с учетом дублирования каждого режима XîQ:. В качестве независимых переменных были выбраны: скорость вррщефм вентилятора (Xit 1/с), время насыщения (Х2, ч) и- темцература процесса (Хэ, К). Микроструктура лопаток ГТД исследовались lia микроскопе NE0PH0T-21 в четырех сечзниях. Неравномерность диффузионного слоя ( Ah ) определялась в результате расчета и сравнений дисперсии толщины покрытий. После статистичёской обработки бкепериментальных данных была получена .следующая зависимость неравномерности покрытий от техно логический факторов '.; , ' ;

' /; х, -

В связи с -';га»,; .яда^'уменывений • Дь- за счет-увеличения времени процесса.1 сштаегпроааёодительЕосгь ' оборудованная, а пониженна .температуры ç соотытофт с. проведенными экспериментами уменьшзет толщину даЩзиаЕтазг^ ciaa и насыщащую способность среды, в дальнейших нсетедаБ^двах ' ©ековное внимание было уделено_ получению равномерных шкра'гай за счет варьироваю|я скоростью газового потока.

Мо\едарешние процессов в активированной газовой среде позволило уешювить, что основной гоитанрй неравномерности внутренних покрытая- являются реакции psena^sj галоГанидов алюминия. На базе теоратаческих исследований полнена , математическая зависи-

,65 X, + 1,20 X.

мооть, свчпиваюцая изменение состава газовой среда с технологическими факторами. Концентрация диффундирующего элемента в газовом потоке на расстоянии у от входного сечения определяется выражением С(у) = Саетр (-ку/и), где Со- концентрация элемента на входе; к - константа скорости химической реакции, и - скорость газового потока Как известно, константа скорости химической реакции определяется природой реагирующих веществ. Такта образом, равномерность покрытия зависит от природы используемого галогенидного активатора. Выполненные исследования структура покрытий на трубчатых образцах из стаж! 12ХТ8Щ0Т после алитирования з хлоридной и иодид-ной средах показаж, что во втором случав из-за меньшей устойчивости иодидов алюминия (вследствие больших значений к), неравномерность диффузионного слоя увеличивается.

Допущение о получешгл равномерных покрытий при С(1)/Се г 0,9, где С(~) - концентрация диффундирующего элемента в г-иходком сече-ктд дотаял длиной I, позволило построить номограмму (рис. 2) для определения минимально допустимой скорости газового потока в зависимости от длины трубчатых изделий. Например, в случав алитирова-;тйя трубок длиной 0,2 м из стали 12Х13ГО0Т р&виемврнив токрчтнн швдшой ТО ыкм подучаатся при У = 1273 К, ^ - 5 ч и У > 15 м/с.

ГозраСоташше рекомендация по выбору скорости газового пс-ласл йШ1 додикрязш зисоорпмэдольно на тру.'чатах. образцах гз стал/ 10 дцаметрсм 8 мм н дяшюЛ Ь = 60+340 мм, ь тькжо на труокзх из етэля ИШоШОХ длдаай 400 см и диаметром о = 12+40 км.

01;р-зд-;:-лц5л скоросс» т-зэобого потока, миендшвагабй г/ -лу»ею*.б ];аегс.морн}(2 поярыг.и: па поверхностях слокк-'>й конрш цнл, с»;;з р-^орасотшю спсиязлыш методик« иссдедоьачия мйпсоосд^-%•! л .'¿орасирэделедяя во ькутрекаей полости детали, с помочь» 1;рзд..оианаой методам било отановлвно, что ряьнешрнь» пс.крь-!-.!-на лопатках г!Д получайся при двикеши газовой среды со скорость-1,5-^,0 м/с. Результаты ькюднешинс исследований сил;! всаильзов«йы ара составлении технического задания на проектирована»? ошг.н • ЦрОМЫНЛвННОЙ циркуляционной установки, первые обрззад которой -готовлены и установлены во ЬИШТО и лаборатории НИИ.

Разработанные рекомендации по выбору режима ХТ(' вело-»'.'-лись при алитировшши лопаток ГГД на оттю-прс-мьшньой циркул-ццонной установке» Ка основании предварительных исай"%\01«;ю»Я, .-•<-

IV к'1

1273

1222

11731

140

120 100

80

60

40

29

15 20

У, М/с

щ

1173 1223 Г, К

Ряс. 2, Последовательность выбора технологических факторов и t, • обеспечивающих получение равномер^шх покрытий требуемой толщины на внутренних полостях деталей различной длины: а-.номограмма для определения и игТ; б - изменение толщи-1 .' • . кы покрытая на стали 12Х18Ш0Т| прй алитир^ьаний в зависи-, мости от температуры Процесса (т - 5 ч)

полненных .на 1-2 лопатках, были определены режимы актирования для 1' полной садки деталей Т * 1273 К, 1 Ц Зчи Т 1273 К, ч: = 6 ч при и1.5-2 ,и/с, тм '-^150^200' г,''Р1с1;:.= 500 Па.. Установлено, что

ттаииа покрытия Гфй ^рехзасреом; ироцессо составляет 10-22 ши, .при шестичасовом - 28^2 ^.:Л1оЛ5'Ч81ший ^зшае доказала, что неравномерность внутренних покргтш, а; ч^акже разякчко в '$озднэ даФ-фуэионногр ■ слоя на ' наружна ^кч-йа^ннвй •.»лйзяности летели -.-не превышает •• 5-7 мкм; причем тощ® а II равномерность покрытия не зависели от расположения.детали в.приспособлении.

На основании рентЫноструктурнэго микрорентгетоопектрально-Го анализов Шло. установлено, что зтеяй&я зона покрытия независимо от времени насыщения представляет фаз у ¡ПА1 с концентрацией 23 -, 26 % А1,. в которой в небольших. количествах растворены основные легирумдие компоненты .сплава. Внутренняя ■ зона состоит из фаз

}НЛ1, N1^1 и карбидов, на что указывает скопление карбидооб-разуших элементов.

Оценивая состав и толщину экспериментально полученных покрытий, рекомендуется следующий режим алитирования лопаток ГГД ( 5двт = 0,054 м* и 5двт /V = 2,4 м"1) в изотермических условиях: Т = 1273 к, г = 6 ч. р',„. =. 5.10* Па, п .= 50-100 г, у = 1,5 -

А1С1

Э

2,0 м/с. Сравнение значений технологических факторов, определенных экспериментально и расчетным путем (стр. 10) показывает удовлетворительное совпадение результатов.

общие выводы

1. Установлено, что допущение об осуществлении диффузионного насыщения металлов и сплавов в условиях локального равновесия мен-ду насыщающей средой и диффундирующим элементом, насыщающей средой и поверхностью детали, позволяет рассчитывать протекающие химические реакции в соответствии с фундаментальными уравнениями термодинамики.

2. На основе определения минимума энергии Гиббса химически реагирующих систем и выполнения условия материального баланса по каждому компоненту разработана термодинамическая модель диффузионного насыщения металлов и сплавов циркуляционным методом.

3. Выполнен расчет фазового состава покрытия при диффузионном насыщении циркуляционным методом'в зависимости от температуры процесса, массы галогенида загружаемого в установку, объема рабочего пространства, насыщаемой поверхности деталей.

4. Установлено, что наиболее существенно на концентрацию алюминия на поверхности детали влияют градиёнт температур в рабочем пространстве, и насыщаемая поверхность деталей.

5. Расчетом установлено, что процесс алитирования возможен лишь в присутствии низших галогенидов А1С1г и А1С1 для хлоридной среды и АН - для иодидной. Показано, что замена хлоридкого активатора на иодидннй уменьшает насыщающую способность среды.

6. Расчитаны концентрационные кривые распределения алюминия в многослойных покрытиях на никеле, причем в качестве исходных данных использовались результаты термодинамического расчета концентрации диффундирующего элемента в газовой фазе и на поверхности детали. Подучено удовлетворительное совпадение расчетных и экспе-

гЬ

риментальных кривых при алитировании никеля в хлоркдной срзде.

7. .Установлена математическая зависимость, связывающая изменение концентрации диффундирующего элемента в газовом потоке с длиной внутреннней полости, скоростью газа к константой скорости химической реакции на поверхности изделия.

8. Построена номограмма для определения минимально допустимой скороси газового потока во внутренних полостях, обеспочиващей получение равномерных покрытий при алитировании в хлоридной среде. Исследования на трубчатых образцах подтвердили правильность расчетных значений.

9. На разработанный способ исследования массаотдачи из газового потока получено авторское свидетельство № 11484443. Предложенный метод позволил экспериментально определить оптимальную скорость газа ■ .рез внутреннюю полость лопатки ГТЛ. Она составляет 1,5-2 и/с..

10. Установлено расчетом и подтверждено экспериментально, что на опытно-промышленной циркуляционной установке равномерны" покрытия толщиной 30-35 мш с концентрацией аш-мшш 22-25 но поверхности лопаток ГТД можно получать при Т = 1273 К, % - 4-6 ч, U• = 1,5-2 м/с, тд1 = 50-100 Г при PA.cl --.5-10* На.

а

Основное содержание диссертации отражено в работах:

I. Хромоалнтировагам х:аропрочнкх сплавов ш-.ркуляцкошшм (.'¿то-дом / Б.Н. Арзамасов, В.Н. Симонов, М.В. Унчикова к др. // ДгД-■ фузиою'^е насыщение к покрытия ка металлах: Сб. науч. тр. - Киев: Наукова думка, 1933. - С. 79-83. ;

2.. Математическое моделирование процесса циркуляционного эли-тирования никеля и ижелешх сплавов '/ В.Н.' Арзамасов, D.A. Пуч-.ков, М'.В. Унчикова и др. // Прогрессивные методы хккпко-■гермической обработки сплавов. - М., 19.37. - с. 10-16.

3. A.c. 1148449 СССР, MKif Способ регистрации картши обтекания газовым потоком / Б.П.- Арзамасов, В.И. С;::.'оиов, M.B. Уьчпко-вэ и др. - Я 3426310/40-23; Заявл.| 20.12.83.

■ 4. Получение заштишс покрытии на' внутренних полостях дотале!; циркуляционным методой / Б.Н. Ариамаоов, В.Н. Симонов, М.В. Унчикова и др. // Вестник МГТУ. Сер. !.кйИ!гостроен;ш. - 1892. - №. .3. -С.67-74. 1

IG