Ионно-плазменные покрытия для защиты тугоплавких металлов

15.11.2019

Введение


Ионная (дуговая) плазма уже ряд лет применяется для разных нужд — скоростной резки, сварки и распыления тугоплавких металлов. Схематически плазменная установка представляет собой устройство, в котором электрическая дуга нагревает направленный газовый поток до высоких температур. При нанесении тугоплавких покрытий тугоплавкий материал вводят в виде порошка в поток плазмы, где он расплавляется и разгоняется до такой скорости, при ударе с которой о покрываемую поверхность он деформируется.

В первых опытах по плазменному напылению защитных покрытий на тугоплавкие металлы покрытия получались слишком пористыми. Поэтому для нанесения покрытия на стержни из сплава Mo — 0,5Ti к смеси порошков тугоплавких окислов стали примешивать порошок более легкоплавкой фазы. Такая фаза эффективно герметизировала покрытие от проникновения кислорода и заполняла поры, обычно присутствующие в окисном покрытии.

Для исследования свойств такого покрытия, названного LGC-2, была проведена серия испытаний.

Приготовление образцов


При первых испытаниях по циклическому окислению образцов молибденового сплава TZM с размерами 19х38,1х0,51 мм, защищенных покрытием LGC-2, они преждевременно разрушались у острых выступов и углублений. Чтобы устранить возникновение больших напряжений у острых кромок и углов и получить образцы с минимальными дефектами, в дальнейшем был установлен следующий порядок, которого придерживались на всем протяжении исследований:

1. Все углы скруглялись по радиусу не менее 3,18 и не более 6,35 мм. Все острые кромки заваливали на специальном станке карборундной шкуркой.

2. Образцы обдували песком плавленой окиси кремния с частицами крупностью от -20 до 50 меш. Перед пескоструйной обработкой всех 16 серий образцов песок просеивали. Сопло пескоструйного аппарата устанавливали на расстоянии около 200 мм перпендикулярно к обдуваемой поверхности. После пескоструйной обработки образцы помещали в растворитель и хранили в нем до плазменного напыления.

3. В процессе напыления образцы удерживали на месте вакуумными присосами, что позволяло одновременно устанавливать по два-три образца без локального нагружения, неизбежного при использовании механических зажимов.

4. Покрытие необходимой толщины (обычно от 0,13 до 0,25 мм) наносили плазменным напылением с одной стороны образцов. Противоположную сторону затем пескоструили, очищали в растворителе, и затем на нее напыляли покрытие нужной толщины. Затем покрывали боковые стороны и кромку.

Перечисленные меры позволили значительно уменьшить число дефектных образцов. Разрушений образцов по углам или кромкам при испытаниях вообще не встретилось.

Методика испытания


Газовая горелка. Первые испытания при высоких температурах проводили с помощью газовой горелки, работавшей на природном газе и кислороде. Этот способ весьма удобен для визуальной оценки стержней из тугоплавкого металла с покрытиями. Из-за непосредственного напора пламени горелки многие покрытия разрушались еще до обнаружения признаков низкой термостойкости или слабого сопротивления окислению. Как показали эти испытания, покрытие LGC-2 оказалось наилучшим (табл. 28.1). Однако газовая горелка не точно воспроизводит рабочие условия, в связи с чем потребовалось провести дополнительные испытания для более совершенной оценки покрытия.

Низкое давление — высокая температура. Для правильной оценки покрытий весьма важно изучить их поведение при низких давлениях и высоких температурах, т. е. в условиях входа космических кораблей в плотные слои атмосферы. Работы других авторов показали, что срок службы покрытия сильно уменьшается при давлениях 1—25 мм рт. ст. и температурах около 1650° С. Результаты испытания покрытия LGC-2 в условиях низкого давления и высокой температуры были приведены в табл. 28.1.

На фиг. 28.1 воспроизведена микроструктура поверхности раздела между покрытием и подложкой из сплава Mo — 0,5Ti (образца № 3408-1). На снимке видно наличие трех фаз, состав которых, однако, не удалось определить достаточно точно. Взаимодействие этих фаз приводит в конце концов к разрушению покрытия. Надо, однако, отметить, что испытания покрытия LGC 2 на сплаве TZM, проведенные одной фирмой, показали, что покрытие выдержало без разрушения испытания в течение 2,5 час при температуре 1650° С и давлении 0,07 мм pm. ст. Эти испытания проводились в статических условиях, однако в дальнейшем планируется провести и испытания в условиях, имитирующих рабочие, т. е. при скорости до 3 км/сек, давлении 1—25 мм рт. ст. и температуре 1100—1650° С.

Испытания в ракетных двигателях. В одном экспериментальном институте были проведены испытания образцов из ниобия и сплава TZM без покрытия и с покрытием LGC-2 в отходящих газах небольших кислородно-водородных ракетных двигателей. Покрытие LGC-2 наносили плазменным напылением на поверхность образца с размерами 50,8х178х0,51 мм и испытывали в отходящих газах на расстоянии 228 мм от уровня выхлопного отверстия ракетного двигателя. Угол соударения с пламенем составлял 45°. Тепловой поток, измеренный воднокалориметрическим методом, был равен 735 ккал/м2*сек, а скорость отходящих газов достигала приблизительно 2,3 км/сек.

Молибденовый сплав TZM без покрытия не взаимодействовал с пламенем, так как роль защитного покрытия в данном случае играл избыточный водород. Непокрытый ниобий катастрофически разрушался менее чем за 4 сек. Поскольку на сплав TZM пламя не действовало, в качестве подложки для испытания покрытия LGC-2 был выбран ниобий.

Один из ниобиевых образцов с покрытием LGC-2 успешно выдержал три цикла испытания по 30 сек с периодом охлаждения между циклами 30 сек Температура образца через 3 сек после воспламенения достигала 1595° С (температуру измеряли оптическим пирометром без поправки на коэффициент излучения). Второй образец ниобия, покрытый LGC-2, удовлетворительно простоял в тех же условиях 154 сек.

Циклические испытания по окислению. Методика испытаний защитных покрытий на окисление, описанная для покрытия субпанелей, изготовленных из панелей листового проката тугоплавких металлов, применялась и для испытаний покрытия LGC-2 на молибденовом сплаве TZM. О размерах образца, его подготовке и процессе напыления уже говорилось выше. Образцы устанавливали на подставку из плавленой пенистой окиси кремния и испытывали в обычной атмосфере в печах при температурах 650, 870, 1095 и 1315° С с циклом нагрева 4 час и при температурах 1455, 1540 и 1650° С с циклом нагрева 2 час.

Заранее установленная максимальная длительность испытания при каждой температуре составляла 24 час. Повреждение покрытия определяли визуально и взвешиванием образца до каждого цикла испытания и после него.

Как показали результаты испытаний, покрытие LGC-2 в течение суток защищает сплав TZM при температурах 650, 870 и 1095° С почти без изменения веса. Оно стояло 8 час при температуре 1315° С и менее 15 мин при 1455, 1540 и 1650° С. Вес образцов после суточных испытаний при температурах 1095° С и ниже изменялся менее чем на +0,5% (привес), после 8 час при 1315° С привес составил 1,0%. Образцы, испытывавшиеся при 1455, 1540 и 1650° С, теряли около 90% своего веса через 15 мин.

Излучательная способность. Нами была измерена полная полусферическая излучательная способность покрытия (фиг. 28.2). Покрытие наносили плазменным напылением на опескоструенную поверхность молибденовой трубы длиной 76,1 мм, диаметром 6,35 мм и толщиной стенки 0,51 мм. Испытания проводились в вакууме глубже 10в-3 мм рт. ст.

Механические свойства. Предварительная оценка конструкционных возможностей молибденового сплава, покрытого стойким против окисления покрытием, заключалась в испытании при растяжении при комнатной и повышенной температурах. Образцы для испытаний изготавливали механической обработкой листового сплава Mo—0,65Ti толщиной около 1 мм. Для испытаний при комнатной температуре образцы крепили с помощью штанг с шаровыми шарнирами и захватов в виде скобы со штифтом. Крепление образцов для испытаний при высоких температурах производилось в захватах из лучших жаропрочных Сплавов в виде скоб и со штифтами, расположенными в зоне нагрева.

Испытания на растяжение до предела текучести о0,2 проводили со скоростью нагружения 1,27 мм/мм*мин, а в интервале от о0,2 до аb скорость движения траверсы равнялась 1,9 мм, мин. Для каждого образца без надреза автоматически записывались кривые нагрузка — деформация с помощью небольшого (длиной 50,8 мм) дифференциального датчика растяжения трансформаторного типа. Образцы с надрезом испытывали при постоянной скорости перемещения траверсы 0,25 мм/мин.

Испытания покрытых образцов без надреза при повышенных температурах проводили в интервале напряжений до предела текучести со скоростью нагружения 0,152 мм/мм*мин, а с превышением предела текучести и до разрушения скорость движения траверсы составляла 1,9 мм/мин. Покрытые образцы с надрезом испытывали при 0,51 мм/мин. От комнатной температуры до температуры испытания образцы нагревали не менее чем за 5 и не более чем за 10 мин, а затем 15 мин выдерживали при этой температуре до нагружения.

Коэффициенты концентрации напряжений в надрезанных образцах определяли по методу Нейбера, Надо отметить, что радиус у дна надреза измеряли перед подготовкой образца к процессу нанесения покрытия. Неизвестно, как подготовка влияла на радиус надреза, но не исключено, что пескоструйная обработка увеличивала этот радиус, заметно снижая расчетные коэффициенты концентрации напряжений и соответственно завышая прочность надрезанных образцов с покрытием.

Результаты этих испытаний приведены в табл. 28.2. Эти данные свидетельствуют о небольшом снижении предела прочности и незначительном повышении предела текучести после нанесения покрытия. Однако для окончательного суждения о влиянии покрытия на механические свойства образцов пока еще нет достаточных данных.

Вероятное изменение концентраторов напряжений в образцах с надрезом, о чем уже упоминалось, свидетельствует о необходимости более совершенных способов измерения размеров образцов после пескоструйной обработки.

В дальнейшем для оценки эффективности покрытия предполагается провести изучение свойств материала без покрытия в вакууме при 982° С. Продолжением исследований явятся сравнительные испытания образцов с покрытием на воздухе при температурах 1095 и 1205° С с испытанием образцов без покрытия в вакууме при высоких температурах. Планируется также изучить влияние нанесения покрытия на порог хрупкости по результатам испытаний на загиб и пластичность материала и скругления кромок образцов на повышение защитных свойств покрытия. Необходимо исследовать возможность использования нагружающих приспособлений из литой керамики, позволяющих вводить в зону нагрева весь образец. Это позволит уменьшить размеры образцов, сократив тем самым примерно на одну треть расходы на материалы для образцов.

Несмотря на то что исследования механических свойств еще полностью не закончены, приведенные выше данные показали перспективность использования защитных покрытий, нанесенных плазменным напылением. При высоких температурах покрытия ведут себя лучше при низких давлениях, чем при атмосферных, так как до начала интенсивного окисления подложки покрытий образуется значительный по толщине стеклообразный слой. Это обстоятельство весьма важно, так как именно при очень высоких температурах и низком давлении работает покрытие при входе космических аппаратов в плотные слои атмосферы.

По-видимому, метод плазменного напыления пригоден для создания покрытий, устойчивых против окисления при температурах до 2200—2760° С. Главной проблемой, с которой можно столкнуться при достижении таких высоких температур, является создание высокотемпературных самозалечивающихся стекол для использования в сочетании с тугоплавкими окислами. Работы в этом направлении надо считать весьма перспективными. В настоящее время изучается несколько новых видов покрытий.

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