Покрытия на тугоплавкие сплавы для кратковременной службы при весьма высоких температурах

15.11.2019

Введение


В последнее время процессы пайки тугоплавких металлов пополнились еще одним методом — пайкой с помощью кварцевой лампы при температурах до 1650° С довольно крупных профилей с размерами около 50х75 мм. При этом процессе применяют разовую металлическую оболочку, изготовленную по форме спаиваемого листа. Такая оболочка обеспечивает главным образом чистоту инертной атмосферы при пайке и фиксирует нужное положение частей свариваемой конструкции. Для защиты оболочки от окисления необходимо покрытие, способное выдерживать не менее 3 мин на воздухе нагрев до 1650° С. Оболочка после выдержки при температуре пайки должна обладать некоторой пластичностью, чтобы предотвратить хрупкое разрушение от сжимающих термических напряжений. Технология нанесения покрытия должна быть в отличие от обычных способов получения покрытий методами цементации, кипящего слоя и диффузионного насыщения простой и дешевой.

Методика эксперимента


В качестве материалов оболочки были выбраны чистый тантал и сплав Nb — 33Та — 0,7Zr (F-82), обладающие высокой жаропрочностью, хорошей свариваемостью и технологичностью. Кроме того, для пайки при более низких температурах в качестве оболочкового материала применяли титан, который стоит дешевле танталовых и ниобиевых сплавов. Титан имел толщину 0,305—0,813 мм, а танталовые и ниобиевые сплавы — от 0,38 до 0,76 мм.

Проще всего наносить покрытия удавалось пламенным напылением. В качестве напыляемых покрытий были опробованы керамические окислы, различные фритты и металлические покрытия с уплотнителем и без уплотнителя. Опробованы были и суспензии металла в лаке.

Стойкость покрытий оценивалась на листовых образцах, нагреваемых прямым током на воздухе до температуры испытания со скоростью 556 град/мин. Температуру измеряли двухцветным оптическим пирометром.

Экспериментальные результаты и их обсуждение


Уже первые эксперименты показали, что покрытия системы Al2O3 — 2,5ТiO2 можно одинаково наносить пламенным и плазменным напылением. В дальнейшем мы остановились на пламенном напылении как на более экономичном, простом и портативном способе.

Как показали эти исследования, покрытия, наносимые и пламенным, и плазменным напылением, были слишком пористыми, чтобы обеспечить надежную защиту от окисления. Поэтому в дальнейшем работа проводилась в направлении изыскания хорошего уплотнителя покрытия. Идеальным уплотнителем оказался алюминий благодаря своей легкоплавкости и способности окисляться на воздухе при высоких температурах с образованием твердой окиси Al2O3. Кроме того, излучательная способность Al2O3 в инфракрасной области составляет около 0,7.

Титановые подложки. Прежде чем оценить сопротивление окислению разных покрытий, напыляемых пламенным способом на титановую подложку, пришлось исследовать влияние нагрева на пластичность самого титана без покрытия. Образцы, выдерживавшиеся в течение 2 мин в аргоне при температурах до 1600° С, оставались пластичными и имели микротвердость 91 по Кнупу, хотя, как показало металлографическое исследование, нагрев сопровождался чрезмерным ростом зерна и образованием грубозернистой альфа-структуры. Образцы без покрытия после выдержки на воздухе были чрезвычайно хрупкими и при температуре около 1600° С окислялись менее чем за 1 мин.

Предварительные испытания позволили наметить основное направление для оценки и сравнения покрытий, наносимых пламенным напылением. В табл. 25.1 приведены результаты исследования покрытий Al2O3 — 2,5TiО2, уплотненных металлическим алюминием. Эти образцы после 10-минутной выдержки при 1315 и 1340° С не разрушались. Однако испытания на изгиб и измерение микротвердости показали, что они стали очень хрупкими.

Срок службы образцов при температуре 1595° С составлял 1,1—3,9 мин. Покрытие плохо защищало титановую подложку, что подтверждается его высокой микротвердостью и сильным окислением, наблюдавшимися при испытаниях.

С учетом высокой хрупкости и возрастающей твердости образцов с покрытиями образец TG выдержали в течение 2 мин при 1315° С в атмосфере аргона, чтобы определить влияние покрытия системы Al2O3 — 2,5TiO2 на титан без воздуха. Этот образец тоже приобрел сильную хрупкость, что свидетельствовало о воздействии покрытия на подложку. Образец приобрел сплошную альфа-структуру, высокую твердость и сильно растрескался по поверхности раздела покрытие — подложка (фиг. 25.1). Аналогичным испытаниям подвергали образцы с покрытиями из ZrO2 и фирменных фритт. Результаты получились такими же, как и в случае образца TG.

Перспективным покрытием оказался уплотненный алюминием хром, обладающий высокой стойкостью против окисления. Поскольку алюминий и особенно хром понижают температуру плавления титана, подложку толщиной 0,305 мм заменили слоем титана толщиной 0,81 мм, чтобы обеспечить более емкий «диффузионный сток».

Результаты испытаний покрытий из хрома с алюминием в разном сочетании, нанесенных пламенным напылением, приведены в табл. 25.2. Эти покрытия надежно защищали титан при температурах 1315 и 1430° С. Твердость образцов после испытания повышалась незначительно, что свидетельствовало о слабом охрупчивании. Срок службы образцов при 1595° С составлял 0,1—3,75 мин. Оптимальным покрытием, очевидно, было покрытие из слоя хрома и слоя алюминия толщиной но 0,076 мм. Увеличение толщины слоя каждого из элементов снижало стойкость образцов при 1595° С. Это, вероятно, объяснялось снижением температуры плавления подложки вследствие диффузии элементов покрытия в титан при испытании.

На фиг. 25.2 показана микроструктура образца Т26 после его выдержки при 1430° в течение 10 мин. Титан имеет грубозернистую альфа структуру, а между покрытием и подложкой образовался диффузионный слой значительной толщины. Кроме того, при охлаждении образца до температуры ниже 540° С покрытие под действием сжимающего напряжения растрескалось. Однако достаточная пластичность подложки предотвратила дальнейшее распространение поверхпостных трещин. По-видимому, покрытие этого типа весьма перспективно для защиты титановых оболочек при температурах почти до 1430° С.

Исследовались также покрытия из MoSi2, нанесенные на титан пламенным напылением. Результаты их испытаний представлены в табл. 25.3. Покрытие из MoSi2 толщиной 0,076 мм обладало при 1595° С несколько лучшими защитными свойствами, чем покрытие системы Cr — Al. Однако при металлографическом исследовании было обнаружено сильное взаимодействие между покрытием и подложкой, которая несколько охрупчилась.

Увеличение толщины покрытия вдвое, до 0,152 мм, усиливало взаимодействие подложки с покрытием и сокращало срок службы образца. На фиг. 25.3 и 25.4 воспроизведены микроструктуры образцов Т51 и Т52 после испытаний. Эти снимки хорошо иллюстрируют сильное взаимодействие при 1540 С. Поэтому максимальная рабочая температура не должна достигать 1540° С.

Добавка алюминиевого уплотнителя поверх слоя MoSi2 толщиной 0,07В мм свойств покрытия из чистого MoSi2 (образцы Т53 — Т55) не улучшала.

Подложки из ниобиевого сплава. Первые испытания покрытии системы Al2O3 — 2,5TiO2 и ZrO2 на сплаве F 82, наносившихся пламенным напылением, проводились с целью оценки совместимости покрытий с подложкой в течение 2 мин при 1760° С в атмосфере аргона. Полу ченные данные оказались прямо противоположными результатам испытаний на совместимость указанных окислов с титаном.

Данные для покрытий системы Al2O3 — 2,5ТiO2 и Cr — Ti, а также покрытий из MoSi2 на ниобиевом сплаве приведены в табл. 25.4.

Стойкость образцов С5 и С6 с покрытиями системы Al2O3 — 2,5TiO2 — Al оказалась при температурах 1595 и 1760° С довольно низкой. Плохо стояло при 1760° С и покрытие системы Cr — Al. Однако при более низких температурах (1595 и 1650° С) результаты были более обнадеживающими. Плохой стойкостью при 1595° С обладало также покрытие из MoSi2 на образцах C11 и С12.

Кроме покрытий, наносившихся на ниобиевый сплав F-82 пламенным напылением, на него набрызгивали и лаковые покрытия смеси 75Sn — 25А1. Данные по стойкости таких покрытий и охрупчиванию подложки были такими же, как и при испытании покрытий системы Cr — Al при 1650° С.

Танталовые подложки. Были испытаны покрытия системы 75Sn — 25Аl на тантале, для защиты которого их и разработали. Нанесение такого покрытия оказалось более сложным делом, чем пламенное напыление, но после соответствующей отработки этот процесс стал проще обычных способов поверхностного диффузионного насыщения.

Свойства таких покрытий, наносившихся разными способами на листовой тантал толщиной 0,51 мм, указаны в табл. 25.5. Как видно из этой таблицы, покрытия можно подвергать дегазации и диффузионному отжигу в потоке аргона без ущерба для их защитной способности.

Наилучшие характеристики показали покрытия, подвергавшиеся вакуумной термообработке, однако с точки зрения производства высокий нагрев в вакууме сильно усложняет технологию. При таком процессе необходимо применять жесткие толстостенные реторты, не разрушающиеся при нагреве до высоких температур и вакуумировании. Возможность проведения процесса в потоке аргона означает возможность изготовления оболочек для пайки в более тонких ретортах, что значительно упрощает процесс. Несколько покрытых таким образом танталовых оболочек успешно применялись для пайки сотовых образцов из тугоплавкого сплава при 1595° С.

Излучательная способность покрытия системы Sn — Al в диапазоне 2—15 мк составляет около 0,1. Однако в процессе нагрева на воздухе она быстро возрастает (приблизительно до 0,7) в связи с образованием на поверхности пленки Al2O3.

Крепление термопар. Изучались способы крепления платина платинородиевых (10% Rh) термопар к титановым образцам с покрытиями из MoSi2 и системы Cr — Al. Термопары крепили следующими методами: 1) точечной приваркой к покрытию; 2) точечной приваркой к титану; 3) точечной сваркой и обмазкой тугоплавким составом.

Однако пи один из этих методов не дал при температурах выше 1370е С положительных результатов. Термопары быстро взаимодействовали как с покрытием, так и с подложкой. При температурах ниже приблизительно 1370° С точечная приварка термопары к MoSi2 обеспечивала довольно надежное сцепление в тех случаях, когда обе термопарные проволоки свивали друг с другом и приваривали их друг к другу и вместе с тем к покрытию.

При креплении термопар к покрытию системы Cr — Al важно удалить алюминий у места крепления. Он энергично диффундирует в термопару, образуя легкоплавкие фазы и вызывая быстрое разрушение при температурах 1095—1260° С.

Из-за плохой совместимости термопар с покрытыми танталовыми оболочками не предпринималось никаких попыток наружного крепления термопары на тантале с покрытиями системы 75Sn — 25А1. Однако удалось установить, что кратковременно в аргоне термопары совместимы с танталовой подложкой до температур около 1680° С.

Ясно, что платина-платинородиевые термопары необходимо приваривать точечной сваркой к танталовой оболочке изнутри. Был проведен ряд опытов по изучению возможности измерении температуры радиометрически. Этот способ надо признать перспективным.

Выводы


1. Покрытия из хрома толщиной 0,05—0,1 мм, уплотненные слоем алюминии той же толщины и наносившиеся пламенным напылением, надежно защищают титановые оболочки от окисления при нагреве до 1430° С.

2. Покрытие из MoSi2 толщиной 0,05—0,1 мм, наносившееся пламенным напылением, защищает титановые оболочки от окисления при нагреве до 1540° С.

3. При температурах до 1430° С покрытие системы Cr — Al защищает титан лучше покрытия из MoSi2.

4. Напыленное лаковое покрытие системы 75Sn — 25А1 надежно защищает танталовые оболочки от окисления при нагреве до 1815° С.

5. Разработана технология обработки покрытия системы 75Sn — 25А1 в потоке аргона, позволяющая вести процесс без жестких высокотемпературных вакуумных реторт.

6. Платина-платинородиевые (10% Rh) термопары почти во всех случаях были несовместимыми с покрытиями.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна