RU2106429C1 - Method for application of multilayer wear-resistant coating to articles from iron and titanium alloys - Google Patents

Abstract

FIELD: power and transport engineering for increasing the wear-resistance of turbine and pump blades, engine components and other equipment whose process of operation is characterized by concurrent effect of various types of wear. SUBSTANCE: method includes polishing of the surface to be coated to cleanness of R_a≤ 0,08 0.08 with subsequent cleaning with octadecylamine. Then a layer of transition metal of groups IV-VI of the Mendeleev Periodic Table is applied to the surface and a layer of oxide of the same metal and a layer of nitride or carbide of transition metal of groups IV-VI of the Mendeleev Periodic Table are applied. EFFECT: higher efficiency. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости лопастей турбин и насосов, элементов двигателей и другого оборудования, процесс эксплуатации которых характеризуется одновременным воздействием различных видов износа (каплеударная и абразивная эрозия, различные виды коррозии, эрозия-коррозия, кавитация, повышенная агрессивность среды, повышенное трение). The invention relates to energy and transport engineering and can be used to increase the wear resistance of turbine blades and pumps, engine elements and other equipment, the operation process of which is characterized by the simultaneous impact of various types of wear (drop impact and abrasive erosion, various types of corrosion, erosion-corrosion, cavitation, increased aggressiveness of the environment, increased friction).

Известно техническое решение [1], заключающееся в нанесении покрытия из титанового сплава, осаждении пленки, состоящей из одного или нескольких элементов, ионной бомбардировки с получением твердой пленки с образованием твердого композиционного слоя, бомбардировки пленки ионами азота, кислорода или углерода. A technical solution is known [1], which consists in coating a titanium alloy, depositing a film consisting of one or more elements, ion bombardment to obtain a solid film to form a solid composite layer, bombarding the film with nitrogen, oxygen or carbon ions.

Недостатками этого технического решения является неспособность обеспечения эффективной защиты металла лопаток от коррозионного и действующих одновременно коррозионного и эрозионного износов, что зачастую имеет место при эксплуатации оборудования. The disadvantages of this technical solution is the inability to provide effective protection of the metal of the blades from corrosion and simultaneously acting corrosion and erosion wear, which often occurs during operation of the equipment.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому способу является способ нанесения износостойкого покрытия из нестехиометрического нитрила титана [2], включающий подготовку изделия, нанесение слоя титана и слоя нитрида титана при температуре 420-530^oC.The closest technical solution (prototype) to the proposed method is a method of applying a wear-resistant coating of non-stoichiometric titanium nitrile [2], including preparing the product, applying a layer of titanium and a layer of titanium nitride at a temperature of 420-530 ^o C.

Недостатком этого технического решения является нанесение двухслойного покрытия, т.е. отсутствие промежуточного слоя, что позволяет получить более эффективную защиту от различных видов коррозии. Кроме того, отсутствие единого замкнутого цикла с объемным нагревом уменьшает коррозионную и эрозионную стойкость покрытия изделия. The disadvantage of this technical solution is the application of a two-layer coating, i.e. the absence of an intermediate layer, which allows more effective protection against various types of corrosion. In addition, the absence of a single closed cycle with volumetric heating reduces the corrosion and erosion resistance of the product coating.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение износостойкости изделий из железных и титановых сплавов за счет существенного снижения каплеударной и абразивной эрозии, кавитации, эрозии-коррозии, различных видов коррозии (атмосферная, химическая коррозия, коррозионное растрескивание под напряжением, фретинг-коррозия) в процессе эксплуатации изделий. The technical result of the proposed technical solution is to increase the wear resistance of products made of iron and titanium alloys due to a significant reduction in drop-impact and abrasive erosion, cavitation, erosion-corrosion, various types of corrosion (atmospheric, chemical corrosion, stress corrosion cracking, fretting corrosion) during operation products.

Технический результат достигается предварительной подготовкой поверхности защищаемого изделия и последующим нанесением многослойного покрытия при различной толщине его составляющих в едином замкнутом цикле при объемном нагреве изделия. Формирование многослойного покрытия в едином замкнутом цикле обеспечивает подачу кислорода в необходимом количестве, требуемом для формирования оксида металла первого слоя определенной толщины. The technical result is achieved by preliminary preparation of the surface of the protected product and the subsequent application of a multilayer coating with different thicknesses of its components in a single closed cycle with volumetric heating of the product. The formation of a multilayer coating in a single closed cycle ensures the supply of oxygen in the required amount required for the formation of metal oxide of the first layer of a certain thickness.

Причем предварительная подготовка поверхности защищаемых изделий включает в себя ее полировку до значения R_a ≤ 0,08 мкм (R_a - параметр шероховатости, характеризующий среднее арифметическое отклонение профиля) и очистку с использованием поверхностно-активных веществ, преимущественно октадециламина для удаления загрязнений с поверхности, в том числе и коррозионно-активных примесей (хлориды, сульфаты и др.), расположенных, как правило, на дне поверхностных трещин и каверн, что существенно повышает адгезию первого слоя покрытия. Это мероприятие в значительной степени определяет коррозионную стойкость многослойного покрытия.Moreover, the preliminary preparation of the surface of the protected products includes polishing it to a value of R _a ≤ 0.08 μm (R _a is the roughness parameter characterizing the arithmetic mean deviation of the profile) and cleaning using surfactants, mainly octadecylamine, to remove contaminants from the surface, including corrosive impurities (chlorides, sulfates, etc.), located, as a rule, at the bottom of surface cracks and cavities, which significantly increases the adhesion of the first coating layer. This measure largely determines the corrosion resistance of the multilayer coating.

Наносимый в качестве первого слоя покрытия металл обладает высокой коррозионной и химической стойкостью, второй слой, представляющий собой оксид металла первого слоя, еще в большей степени повышает коррозионную в химическую стойкость и предотвращает доступ кислорода, углекислоты к защищаемому металлу. Третий слой, в качестве которого наносят нитрил или карбид одного из переходных металлов IV - VI групп периодической системы Менделеева, существенно повышает эрозионную, в том числе и кавитационную стойкость защищаемого изделия. The metal applied as the first coating layer has high corrosion and chemical resistance, the second layer, which is the metal oxide of the first layer, increases the corrosion resistance to chemical resistance even more and prevents the access of oxygen and carbon dioxide to the protected metal. The third layer, which is applied as a nitrile or carbide of one of the transition metals of groups IV - VI of the periodic table, significantly increases the erosion, including cavitation resistance of the protected product.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства, где 1 - защищаемое изделие, 2 - держатель, 3 - рабочая камера, 4 - катод - 5 анод, 6 - источник питания, 7 - электрическая дуга, 8 - источник питания для высокоскоростной бомбардировки поверхности изделия ионами аргона, 9 - дозирующее устройство, 10 - устройство предварительной очистки поверхности защищаемого изделия с использованием поверхностно-активного вещества (эмульсия октадециламина), 11 - ультразвуковая установка. The drawing shows a schematic diagram of a device, where 1 is a protected product, 2 is a holder, 3 is a working chamber, 4 is a cathode is a 5 anode, 6 is a power source, 7 is an electric arc, 8 is a power source for high-speed bombardment of the product surface with argon ions , 9 - dosing device, 10 - device for preliminary cleaning of the surface of the protected product using a surfactant (octadecylamine emulsion), 11 - ultrasonic unit.

Предлагаемый способ включает в себя грубую очистку поверхности защищаемого изделия от загрязнений, полировку защищаемой поверхности до значения R_a ≤ 0,08 мкм, тонкую очистку поверхности защищаемого изделия с использованием поверхностно-активного вещества (октадециламина) и ультразвуковой установки, сушку поверхности изделия после очистки, помещение изделия в вакуумную камеру устройства, создание рабочего вакуума в камере, объемный нагрев защитного изделия, дополнительную очистку и активизацию поверхности изделия за счет ее бомбардировки ионами аргона, формирование многослойного покрытия.The proposed method includes rough cleaning of the surface of the protected product from contaminants, polishing the protected surface to a value of R _a ≤ 0.08 μm, fine cleaning the surface of the protected product using a surfactant (octadecylamine) and ultrasonic installation, drying the surface of the product after cleaning, placing the product in the vacuum chamber of the device, creating a working vacuum in the chamber, volumetric heating of the protective product, additional cleaning and activating the surface of the product due to its scorer Application argon ions, forming multilayer coating.

Процесс нанесения многослойного покрытия на изделие осуществляется в следующей последовательности. The process of applying a multilayer coating on the product is carried out in the following sequence.

После предварительной полировки до частоты R_a ≤ 0,08 мкм и очистки эмульсией октадециламина 10 и ультразвуковой установкой (11) изделие 1 закрепляется в держателе 2, который в зависимости от формы и массы изделия обеспечивает его движение в различных плоскостях. В рабочей камере 3 создается вакуум 10^-3 Па. Затем в камеру через полый катод 4 подается газ - аргон. После достижения рабочего давления 10^-2Па создается напряжение между катодом и анодом 5 посредством источника питания 6 и образуется электрическая дуга 7. На изделие подается напряжение от собственного источника питания 8 для высокоскоростной бомбардировки поверхности изделия ионами аргона.After preliminary polishing to a frequency of R _a ≤ 0.08 μm and purification with octadecylamine 10 emulsion and an ultrasonic unit (11), the article 1 is fixed in the holder 2, which, depending on the shape and mass of the article, ensures its movement in various planes. A vacuum of 10 ⁻³ Pa is created in the working chamber 3. Then, argon gas is supplied to the chamber through the hollow cathode 4. After reaching a working pressure of 10 ^-2 Pa, a voltage is created between the cathode and anode 5 by means of a power source 6 and an electric arc 7 is formed. A voltage is supplied to the product from its own power source 8 for high-speed bombardment of the surface of the product with argon ions.

После этого осуществляется объемный нагрев. Температура изделия поддерживается на уровне, не превышающем значение в диапазоне 400-500^oC. Нижнее значение температуры обеспечивает повышение адгезии покрытий на защищаемых поверхностях крупногабаритных изделий. Верхнее значение температуры обусловлено отсутствием структурных изменений и механических свойств металла изделий. Диапазон температуры определяется материалом, используемым для изготовления турбинных лопаток (углеродистые и хромистые стали).After that, volumetric heating is carried out. The temperature of the product is maintained at a level not exceeding a value in the range of 400-500 ^o C. The lower temperature value provides increased adhesion of coatings on the protected surfaces of large-sized products. The upper temperature value is due to the absence of structural changes and mechanical properties of metal products. The temperature range is determined by the material used for the manufacture of turbine blades (carbon and chromium steels).

Подачей напряжения устанавливается необходимый электрический ток между анодом и катодом, обеспечивающий испарение и ионизацию металла, используемого для формирования первого слоя покрытия. В результате последующего его осаждения образуется первый защитный слой, толщина которого определяется степенью агрессивности эксплуатационной среды изделий. By supplying voltage, the necessary electric current is established between the anode and cathode, which provides evaporation and ionization of the metal used to form the first coating layer. As a result of its subsequent deposition, a first protective layer is formed, the thickness of which is determined by the degree of aggressiveness of the product’s operating environment.

Затем в рабочую камеру через дозирующее устройство 9 подается кислород с объемным расходом, необходимым для формирования второго слоя необходимой толщины за счет формирования в результате химической реакции оксида металла, наносимого в качестве первого слоя. Then, oxygen is supplied to the working chamber through the metering device 9 at the volumetric flow rate necessary for the formation of a second layer of the required thickness due to the formation of a metal oxide as a first layer as a result of a chemical reaction.

После образования второго слоя перед подачей азота или углерода через дозирующее устройство 9 подается кислород с объемным расходом, необходимым для формирования третьего слоя необходимой толщины, обеспечиваются условия образования нитрида или карбида металла, наносимого в качестве первого слоя. Таким образом, нанесение всех слоев происходит в едином замкнутом цикле. After the formation of the second layer, oxygen is supplied through the metering device 9 before the nitrogen or carbon is fed with the volumetric flow rate necessary for the formation of the third layer of the required thickness, and the conditions for the formation of metal nitride or carbide deposited as the first layer are provided. Thus, the deposition of all layers occurs in a single closed cycle.

Соотношение толщин наносимых слоев определяется условием повышения эффективности износостойкости изделий при одновременном воздействии, в первую очередь, коррозии, абразивной, кавитационной и каплеударной эрозии без изменения структуры, свойств и установленных характеристик металла защищаемого изделия. The ratio of the thicknesses of the applied layers is determined by the condition for increasing the wear resistance of products with simultaneous exposure, first of all, to corrosion, abrasive, cavitation and drop impact erosion without changing the structure, properties and established characteristics of the metal of the protected product.

С учетом вышеизложенного, а также в зависимости от свойств применяемого для формирования первого слоя металла и используемых технологических газов определяются толщины слоев, находящихся в следующих диапазонах:
- B₁ = 1-5 мкм,
- B₂ = 0,01-0,1 мкм,
- B₃ = 5-15 мкм,
где
B₁ - толщина первого слоя,
B₂ - толщина второго слоя,
B₃ - толщина третьего слоя.Based on the foregoing, and also depending on the properties used to form the first metal layer and the process gases used, the thicknesses of the layers are determined that are in the following ranges:
- B ₁ = 1-5 μm,
- B ₂ = 0.01-0.1 μm,
- B ₃ = 5-15 μm,
Where
B ₁ - the thickness of the first layer,
B ₂ - the thickness of the second layer,
B ₃ is the thickness of the third layer.

Многослойное покрытие, нанесенное на защищаемое изделие из углеводородной стали в ионно-вакуумной установке в едином замкнутом цикле и состоящее из трех слоев, в котором в качестве первого слоя используется титан толщиной 2 мкм, в качестве второго - карбид титана толщиной 0,05 мкм, в качестве третьего - нитрид титана толщиной 8 мкм при предварительной полировке поверхности до значения R_a = 0,08 и ее очистке с помощью октадециламина, позволяет, как показали результаты испытаний, повысить коррозионную стойкость в 12 раз, эрозионную стойкость при абразивном воздействии - в 7 раз, эрозионную стойкость при каплеударном воздействии - в 5 раз и кавитационную стойкость в 6 раз. Это в совокупности приводит к увеличению срока службы изделий, в частности, лопаток паровых турбин в 2-3 раза.A multilayer coating applied to a protected product made of hydrocarbon steel in an ion-vacuum installation in a single closed cycle and consisting of three layers, in which titanium 2 μm thick is used as the first layer, 0.05 μm thick titanium carbide is used, in as the third, titanium nitride with a thickness of 8 μm when pre-polishing the surface to a value of R _a = 0.08 and cleaning it with octadecylamine, allows, as shown by the test results, to increase corrosion resistance by 12 times, erosion resistance when ab irrigation impact - 7 times, erosion resistance with drop impact - 5 times and cavitation resistance 6 times. This together leads to an increase in the service life of products, in particular, steam turbine blades by 2-3 times.

Claims (3)

1. Способ нанесения многослойного износостойкого покрытия на изделия из железных и титановых сплавов, включающий подготовку поверхности изделия, нанесение на нее слоя металла и слоя химического соединения металла, отличающийся тем, что подготовку поверхности изделия осуществляют полировкой до чистоты R_a≤ 0,08 с последующей очисткой октадециламином, в качестве слоя металла наносят переходный металл IV-VI групп Периодической системы Менделеева, в качестве химического соединения - нитрид или карбид переходного металла IV-VI групп Периодической системы Менделеева, а между слоями металла и химического соединения наносят дополнительный слой из оксида металла, нанесенного в качестве первого слоя.1. The method of applying a multilayer wear-resistant coating on products made of iron and titanium alloys, including preparing the surface of the product, applying a metal layer and a layer of a chemical metal compound, characterized in that the surface preparation of the product is carried out by polishing to a purity of R _a ≤ 0.08, followed by by purification with octadecylamine, a transition metal of groups IV-VI of the periodic table of Mendeleev is applied as a metal layer, nitride or carbide of a transition metal of groups IV-VI of a periodic compound is applied as a chemical compound th Mendeleev system, and between the metal layers and the chemical compound is applied to an additional layer of metal oxide is deposited as a first layer. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение слоев осуществляют ионно-вакуумным напылением в едином замкнутом цикле с объемным нагревом изделия до температуры 400-500^oС.2. The method according to claim 1, characterized in that the deposition of the layers is carried out by ion-vacuum spraying in a single closed cycle with volumetric heating of the product to a temperature of 400-500 ^o C. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на подготовленную поверхность изделия последовательно наносят слой титана, промежуточный слой оксида титана и слой нитрида титана. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that a titanium layer, an intermediate layer of titanium oxide and a layer of titanium nitride are successively applied to the prepared surface of the product.