Переход к нанесению покрытий по методу твердодиффузионной металлизации в промышленных масштабах

15.11.2019

Введение


В задачу излагаемой работы входило внедрение современных методов нанесения стойких к высокотемпературному окислению покрытий для защиты крупногабаритных деталей сложной конфигурации из тугоплавких металлов и изучение возможностей нанесения таких покрытий в промышленных масштабах на части самолетов, управляемых снарядов и космических летательных аппаратов. В частности, предстояло установить общие принципы, которые можно было бы заложить в основу дальнейшего перехода к промышленному процессу нанесения покрытий путем твердодиффузионной металлизации. Изучавшееся покрытие PFR-6 представляет собой надежное лабораторное покрытие с хорошей воспроизводимостью характеристик. Подложкой служил молибденовый сплав TZM (Mo — 0,5% Ti — 0,07% Zr). Особым заданием была разработка технологии нанесения покрытия на крупногабаритные (с размерами до 0,9х1,2х1,8 м) детали из молибденового сплава для обеспечения их падежной защиты от окисления при температурах до 1700° С.

Программу настоящего исследования по тематике можно разделить на несколько следующих основных направлений:

1) обработка крупных деталей;

2) теплопередача в крупногабаритной реторте, загруженной инертным наполнителем (тонкодисперсным порошком окиси алюминия);

3) экономические вопросы, в том числе повторное использование металлизатора и выбор сырья, обеспечивающего требуемое качество покрытия без ухудшения эксплуатационных характеристик и надежности деталей;

4) оценка показателей деталей с окрытием в условиях, близких к реальным;

5) пути перехода от лабораторного метода нанесения покрытия к промышленному и разработка подробной документации на технологический процесс для обеспечения возможности использования менее квалифицированного персонала;

6) разработка общих принципов перехода от лабораторного метода нанесения покрытий по методу твердодиффузионной металлизации к промышленному с минимальными затратами средств и труда.

В настоящей работе обсуждаются только три темы. При проведении данных исследований на подложки было израсходовано всего приблизительно 226 кг сплава TZM. Покрытия наносили как на лабораторные образцы, так и на крупные детали типовой конструкции, которые могут рассматриваться как реальные детали космических летательных аппаратов.

Теплопередача


Циклы нанесения покрытий (нагрев реторты плюс время выдержки при данной температуре) на опытные образцы в малогабаритных ретортах не создавали трудностей, потому что температура в центре металлизатора отставала от температуры печи, вероятно, на 15—30 мин. Длительность циклов для таких реторт может достигать 10—12 час, так что фактический цикл не мог значительно отличаться от запрограммированного. Однако с увеличением габаритов покрываемых деталей, требующих реторты и печи больших размеров (фиг. 27.1), подъем температуры в центре реторты отстает от кривой время — температура печи на несколько часов. На фиг. 27.2 показана разница между скоростями нагрева крупногабаритной газовой печи и центра реторты объемом от 0,028 до 0,127 м3. Кривые были записаны на ретортах, загруженных окисью алюминия, с расположением термопары в центре реторты.

Хотя кривую время — температура для центра реторты можно записать по показаниям термопары, это не всегда целесообразно, если нужно сократить затраты средств и времени. Основные требования к сведениям о теплопередаче включают полезность, удобство и быстроту действия. Поэтому были предприняты попытки разработать практические решения на основе прикладной теории.

При практическом решении этой задачи исходят из следующего уравнения:
Переход к нанесению покрытий по методу твердодиффузионной металлизации в промышленных масштабах

здесь T0 — температура печи; T — температура окружающей среды; T1 — температура в центре реторты с объемом V (м3) и площадью А (м2) в момент времени t (час). Это уравнение предполагает, что значения теплоемкости Cр, плотности р и коэффициента h для смеси металлизатора известны либо как средние величины, либо, точнее, как функция температуры. Поскольку для смеси металлизатора PFR-6 эти величины неизвестны, пришлось ввести зависящую от температуры переменную величину М, связанную с h, Cр и р следующим соотношением:

Подставив формулу (2) в уравнение (1) и переведя натуральные логарифмы в десятичные, получим

По данным теплофизических измерений, проведенных на ретортах с гранулированной окисью алюминия в электропечи мощностью 75 ква (фиг. 27.3), была построена кривая изменения log (T0 — T(T0—Tb) в зависимости от величины отношения tA/V. Хотя температура печи T0 не была при нагреве постоянной, ее окончательное устойчивое значение считалось равным 1150° С. Это была максимальная температура реторты в печи. Температуру окружающей среды Tb поддерживали равной 21° С. Изменение наклона кривых на фиг. 27.3 отчасти объясняется изменением величины М.

Точность расчета времени нагрева центра реторты до заданной температуры была подтверждена с помощью гранул — индикаторов температуры, что позволило определить необходимое время нагрева без градуировки термопар для всех реторт. Реакции, протекающие при нанесении покрытий, не оказывают влияния на результаты измерений, так как гранулы защищены от продуктов реакции. Путем сравнения результатов, полученных на металлизаторах с носителями на основе галоидных соединений и без таковых, было показано, что при экзотермических реакциях выделяется незначительное количество теплоты.

Конкретный метод построения кривой время — температура для центра реторты пригоден только для определенной печи. Аналогичные кривые приходится строить для других печей, поскольку на отдельные характеристики нагрева влияют источник нагрева, потребляемая мощность и расположение реторты относительно источника тепла. График фиг. 27.3 был построен для реторты объемом 328 см3. По мере того как разность температур печи и центра реторты приближается к 55,5° С, кривая температуры в центре реторты асимптотически приближается к кривой температуры печи. Такая реторта не соответствует тепловой мощности данной печи, в связи с чем ее приходится помещать в печь с большей тепловой мощностью.

Ударная вязкость и сопротивление


Недавно были проведены исследования по выявлению влияния азота, присутствующего в процессе нанесения покрытия, на пластичность деталей из сплава TZM с покрытиями. Азот при нанесении покрытия можно вносить путем использования таких материалов, применяющихся для регулирования состава атмосферы, как мочевина (NH2CONH2) или носители на основе азотсодержащих соединений, например NH4I или NH4Cl. Возможное затруднение, возникающее при наличии азота в атмосфере, связано с возможностью азотирования сплава TZM. Образующийся при этом хрупкий поверхностный слой обусловливает сравнительную легкость образования и распространения трещин по основному металлу. Если порог хрупкости подложки в процессе нанесения покрытия существенно повышается, то покрытие может разрушиться.

Для изучения этого предположения были проведены эксперименты по нанесению покрытий в ретортах. Используя схему полного факторного эксперимента, было изучено влияние температуры, состава атмосферы и природы соединения-носителя (табл. 27.1). В Детройтских лабораториях фирмы «Клаймекс молибденум» были проведены эксперименты двух видов. Эксперименты первого вида проводились на ударных образцах Шарпи с размерами 10x10x55 мм. Испытания проводили со скоростью удара 3,42 м/сек. При температуре образца 205—315° С работа ударного разрушения образца составляла 4,14 кuм. В экспериментах второго вида использовали образцы для испытаний на загиб с размерами 25,4х76,2х1,27 мм. Скорость загибания составляла 25 см/мин в интервале температур от -32 до 52° С. Радиус загиба был равен двухкратной толщине материала. Результаты этих испытаний приведены в табл. 27.2 и 27.3.


Эти результаты, обработанные методом статистического анализа, показали, что применение соединений азота не является статистически важным фактором с точки зрения влияния на пластичность металла с покрытием. Надо еще отметить: хотя порог хрупкости в процессе нанесения покрытий повышается, но значительного (с точки зрения статистической оценки) влияния такого повышения на пластичность образцов не наблюдалось при нанесении покрытий при 1040 и 1150° С.

Влияние размеров реторты


Увеличение размеров деталей из молибденового сплава, требующих защиты от высокотемпературного окисления, заставляет увеличивать габариты реторт для нанесения защитных покрытий по методу твердодиффузионной металлизации- Для таких реторт необходимо определить характеристики покрытий, получаемых в каждом участке объема реторты. Затем надо доказать, что покрытия, наносимые в ретортах большего размера, сохраняют приемлемую статистическую надежность по сравнению с покрытиями, наносимыми в ретортах меньших размеров. С этой целью были проведены эксперименты с использованием реторт, объем которых составлял от 0,028 до 0,127 м3. В качестве источника нагрева использовались как электрическая печь мощностью 75 ква, так и газовая печь мощностью 0,63*10в6 ккал/час.

Контрольные образцы размещали в трех плоскостях, тремя рядами и в трех колонках во всех четырех ретортах, использовавшихся для испытаний. Для каждого образца определяли увеличение толщины и привес вследствие нанесения покрытия. Сейчас эти образцы проходят испытания в пламени кислородно-ацетиленовой горелки. До завершения этих испытаний была осуществлена оценка образцов по привесу отдельных образцов, величина которого, как это было установлено раньше, хорошо согласуется со сроком службы до разрушения при испытании в пламени.

Обработке подвергали две реторты объемом 0,028 м3 — по одной в электрической и в газовых печах. При оценке образцов, размещенных в различных плоскостях, рядах, колонках, было установлено, что они дали весьма близкие средние значения привеса на образец. Это свидетельствовало о том, что при испытаниях в пламени кислородно-ацетиленовой горелки такие образцы должны иметь сравнительно одинаковый срок службы независимо от их расположения в реторте. Средний привес образцов, обрабатываемых в реторте, помещенной в газовую печь, был из за большей общей длительности цикла обработки несколько больше, чем для образцов в электрической печи.

В реторте объемом 0,084 м3, обрабатывавшейся в крупногабаритной газовой печи, средний привес на образец был сравним со средним привесом, полученным в реторте объемом 0,02 м3 в электрической печи. Средние значения привеса образцов, размещенных в различных плоскостях, рядах и колонках, тоже получились довольно одинаковыми. Однако средний привес для образцов, размещенных в горизонтальной плоскости, слегка убывал с переходом от верхней плоскости к нижней.

Для образцов в реторте объемом 0,126 м3 с поперечным сечением 0,149 м2 оказалось, что средние значения привеса тоже были весьма близкими друг к другу. Даже несмотря на то что режим обработки образцов, расположенных у концов реторты, несколько отличается от режима обработки образцов, размещенных в ее центре, колебания привеса на один образец не выходили за нормальные пределы.

По данным о привесе образцов можно утверждать, что четырехкратное увеличение объема реторты не является, по-видимому, фактором, влияющим на качество покрытий. Результаты испытаний покрытий, нанесенных в реторте объемом 1,203 м3, проходят в настоящее время стадию обработки.

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