Способ изготовления покрытия на металлическом изделии и/или подложке, покрытие, металлическое изделие и кулачок, образующий это изделие

Изобретение относится к способу изготовления покрытия на металлическом изделии и/или подложке, покрытию, металлическому изделию и кулачку, образующему это изделие, и может найти применение в различных отраслях машиностроения. Изготавливают гибкий лист из, по меньшей мере, одной пластины, полученной с применением технологии заливки на сетку по методу сеткографии из вязкого материала, образованного связующим веществом и металлическим порошком на основе суперсплава. Изготавливают заготовку путем вырезания ее из полученного гибкого листа по форме и размерам защищаемой поверхности металлического изделия и/или подложки. Осуществляют наложение заготовки на защищаемую поверхность металлического изделия и/или подложки. Воздействуют на элементы температурой, превышающей температуру плавления связующего вещества, но более низкой, чем температура плавления металлического порошка, для образования покрытия за счет возникновения соединения между заготовкой и защищаемой поверхностью металлического изделия и/или подложки. Изобретение позволяет создать защитное покрытие, по меньшей мере, одной поверхности металлического изделия и/или подложки с повышенной сопротивляемостью износу трением, в частности, при высоких температурах. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к металлическим изделиям, подверженным в процессе их использования воздействию высоких температур.

В частности, настоящее изобретение охватывает упрощенный способ изготовления таких изделий, которые должны быть стойкими к коррозии и, в особенности, к истиранию, происходящему вследствие многократных соприкосновений с одной или несколькими другими деталями, в целях обеспечения повышения производительности и увеличения срока службы таких изделий.

Уровень техники

Известны многочисленные применения, при которых металлические изделия подвергаются воздействию высоких температур. Эти применения включают, например, различные варианты использования в авиационно-космической промышленности, а также наземные применения, при которых изделия используются в газотурбинных двигателях (см., например, патент США №5633086, В32В 005/16, 27.05.1997).

Для всех этих применений важно предусмотреть средства, предотвращающие чрезмерно быстрый износ деталей, подверженных трению или вступающих в механический контакт с другими деталями в ходе их нормального использования, поскольку такой износ значительно сокращает срок их службы и может вызывать значительное снижение эффективности и безопасности их использования.

Детали этого типа, например вращающиеся детали (см. патент США №5079100, В32В 015/02, 7.01.1992) или невращающиеся направляющие кулачки (см. патент США №5359851, F02K 1/12, 1.11.1994), имеют, как правило, неплоскую контактирующую поверхность (поверхность соприкосновения), которая может иметь более или менее неправильную форму.

В традиционном варианте такие изделия или подложки, используемые для их изготовления, покрывают, в особенности по контактирующей поверхности, покрытием, повышающим их сопротивляемость износу при повышенных температурах, как это описано, например, в патенте США №5702829, В32В 015/00, 30.12.1997.

Обычно такие покрытия наносятся при помощи различных технологий; например, вакуумного осаждения, напыления плазмы, электролиза, химических и других методов (рассмотренных, например, в упомянутых патентах США №№5079100 и 5633086).

Учитывая крайне сложную форму, которую может иметь покрываемая контактирующая поверхность, нанесение покрытия равномерной толщины с использованием перечисленных методов может быть серьезно затруднено. Кроме того, стоимость и ограничения применения этих технологий нанесения покрытия не позволяют получать защитные покрытия значительной толщины.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается, в частности, в преодолении названных недостатков, связанных с ограничениями применения вышеупомянутых технологий прямого нанесения покрытий.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается созданием способа обработки металлических изделий, устойчивых, в частности, к трению в условиях работы при повышенной температуре.

Настоящее изобретение охватывает также покрытие для металлического изделия, увеличивающее его сопротивляемость износу трением при повышенной температуре.

Известно, что различные сплавы, в том числе большая часть суперсплавов, характеризуются определенной степенью сопротивляемости окислению и коррозии в агрессивных средах, а также хорошей механической прочностью при высоких температурах.

Настоящее изобретение использует эти характеристики, предлагая способ изготовления защитного покрытия, по меньшей мере, одной защищаемой поверхности металлического изделия и/или подложки с целью повышения ее стойкости к износу трением, в частности, при повышенной температуре. Способ по изобретению характеризуется тем, что включает следующие этапы:

- изготовление гибкого листа из, по меньшей мере, одной пластины, полученной с применением технологии заливки на сетку по методу сеткографии из вязкого материала, образованного связующим веществом и металлическим порошком на основе суперсплава,

- изготовление заготовки путем вырезания ее из указанного гибкого листа по форме и размерам указанной защищаемой поверхности металлического изделия и/или подложки,

- наложение заготовки на указанную защищаемую поверхность металлического изделия и/или подложки,

- воздействие на указанные элементы температурой, превышающей температуру плавления связующего вещества, но более низкой, чем температура плавления металлического порошка, для образования покрытия за счет возникновения соединения между заготовкой и защищаемой поверхностью металлического изделия и/или подложки.

В соответствии с изобретением решение поставленных задач достигается использованием покрытия, позволяющего применять технологию наплавки диффузионной пайкой. С этой целью используемое покрытие содержит металлический порошок на основе суперсплава и плавкое связующее вещество, например органическое или металлическое связующее вещество.

Металлический порошок может быть дополнен керамическим порошком, например, из нитридов, карбидов или боридов, с целью повышения твердости покрытия.

Таким образом, подразумевается, что благодаря присутствию порошка суперсплава покрытие будет обладать такими же характеристиками сопротивляемости износу трением, как и сам суперсплав.

Такое устройство также просто в применении благодаря использованию технологии заливки на сетку по методу сеткографии.

Применяемый металлический порошок характеризуется в предпочтительном варианте размером зерна, меньшим или равным 90 мкм, а в оптимальном варианте находящимся в пределах от 40 мкм до 65 мкм.

В предпочтительном варианте указанный гибкий лист формируется из, по меньшей мере, двух пластин, полученных с применением технологии заливки на сетку по методу сеткографии из вязкого материала. При этом для формирования гибкого листа пластины накладывают одна на другую и высушивают, по меньшей мере, частично с целью образования указанного гибкого листа.

Разумеется, если защищаемая поверхность металлического изделия и/или подложки имеет достаточно простую форму, последовательная заливка пластин, образующих гибкий лист, может быть произведена непосредственно на эту поверхность.

Такое применение позволяет более просто получать гибкие листы значительной толщины, чем при использовании известных технологий прямого осаждения.

В предпочтительном варианте базовый металл, образующий основу сплава для подложки, выбирается из группы элементов, включающей Fe, Ni и Со, причем сплав, используемый для получения подложки, является суперсплавом.

Настоящее изобретение охватывает также покрытие, предназначенное для защиты металлического изделия и/или подложки с целью повышения ее стойкости к износу трением, в частности, при повышенной температуре. Покрытие по изобретению образовано из гибкого листа, сформированного из, по меньшей мере, одной пластины, полученной с применением технологии заливки на сетку по методу сеткографии. При этом вязкий материал для покрытия образован связующим веществом и металлическим порошком на основе суперсплава.

В предпочтительном варианте связующее вещество является органическим веществом, в частности, содержащим политетрафторэтилен (ПТФЭ), а суперсплав создан на основе Ni или Со.

Следует отметить, что образующий покрытие гибкий лист характеризуется толщиной в пределах от 0,3 мм до 5 мм, а в предпочтительном варианте - от 0,5 мм до 2 мм.

Настоящее изобретение также охватывает металлическое изделие, которое снабжено покрытием вышеописанного типа.

Наконец, настоящее изобретение охватывает направляющий кулачок, по крайней мере, для одного ролика системы разворота створки сопла расширяющегося/сужающегося типа турбореактивного двигателя, характеризующийся тем, что состоит из изделия типа, описанного в предыдущем абзаце.

Краткое описание чертежа

Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, которое иллюстрирует пример осуществления изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, единственная фигура которого схематически изображает продольное сечение системы управления створками сопла сужающегося/расширяющегося типа турбореактивного двигателя.

Осуществление изобретения

Как видно из единственного чертежа, для регулировки положения каждой из створок 10 сопла сужающегося/расширяющегося типа турбореактивного двигателя используется система 20 разворота.

Эта система 20 разворота содержит ролики 22, перекатывающиеся по кулачку 24.

В предпочтительном варианте ролики 22 совершают движение качения и изготовлены, в частности, из стали. Эти ролики 22 установлены с возможностью вращения на стойке 26, прикрепленной с возможностью качания к свободному концу штока 28 управляющего поршня 30.

Кулачок 24 имеет верхнюю поверхность, образующую направляющую поверхность 24а для роликов 22, контур которой имеет, по существу, форму участка кругового цилиндра.

Таким образом, должно быть понятно, что направляющая поверхность 24а кулачка 24 подвержена, помимо повышенных рабочих температур, характерных для сопла турбореактивного двигателя, воздействию сил трения, порожденных качением и трением поверхности роликов 22.

В этом случае температура системы 20 разворота находится в пределах от 20°С до 900°С; как правило, эта температура близка к 450°С.

Кулачок 24 изготовлен из стали или из суперсплава, преимущественно из суперсплава на основе никеля или кобальта, например NK15CADT или KC25NW.

В соответствии с настоящим изобретением покрытие направляющей поверхности 24а кулачка 24 изготовлено из гибкого листа.

Для изготовления этого гибкого листа использована технология заливки на сетку по методу сеткографии. С этой целью порошок суперсплава сначала смешивают со связующим веществом, предпочтительно органическим, для образования материала, вязкого при температуре использования. Эта температура предпочтительно равна температуре окружающей среды, но также может быть выше температуры окружающей среды.

Затем изготавливают тонкие пластины, заливая этот вязкий материал на тонкую металлическую сетку; распределение материала при его распространении по мелким ячейкам сетки позволяет получить пластины толщиной от 0,3 мм до 2 мм.

В предпочтительном варианте размеры ячеек сетки составляют от 0,1 мм до 0,5 мм, а в оптимальном варианте - от 0,1 мм до 0,2 мм.

Гранулометрический состав порошка подбирают таким образом, чтобы размер зерна был относительно невелик, в предпочтительном варианте меньше или равен 90 мкм, а в оптимальном варианте - от 40 мкм до 65 мкм.

Пластины накладывают одну на другую для формирования гибкого листа, который затем высушивают, по меньшей мере, частично, для образования соединения между связующими веществами разных пластин.

После этой, по меньшей мере, частичной просушки получают гибкий лист, легко поддающийся обработке без опасности разрыва.

Толщина гибкого листа, который получают на этом этапе, может составлять от 0,3 мм до 2 мм и в предпочтительном варианте находится в пределах от 0,5 мм до 1 мм.

Затем этот гибкий лист разрезают в соответствии с формой контуров направляющей поверхности 24а, формируя заготовку нужной формы, которую размещают так, чтобы она покрывала направляющую поверхность 24а.

Соединение этой заготовки с материалом кулачка 24 осуществляется по технологии диффузионной пайки, причем кулачок, покрытый заготовкой, нагревается до температуры, превышающей температуру плавления связующего вещества, но более низкой, чем температура плавления материала, из которого изготовлен кулачок 24, и суперсплава.

В примере выполнения изобретения использовалась температура, равная 1050°С.

По окончании этой операции пайки получают слой суперсплава, связанный с кулачком 24 металлургическим соединением.

После этого поверхность может быть подвергнута механической обработке, например шлифованию или полированию.

Таким образом, использование описанной технологии изготовления заготовки по методу сеткографии позволяет получить слой покрытия большой площади (до 400 см² и более), в точности соответствующий рельефу защищаемой поверхности металлического изделия, каким бы сложным ни был указанный рельеф.

Кроме того, данный, крайне гибкий способ позволяет получать заготовки точно определенной толщины, причем точное соблюдение заданной толщины возможно по всей поверхности. В частности, возможно получение постоянной толщины по всей поверхности заготовки или же получение заготовок с определенными зонами повышенной или пониженной толщины.

Эта технология также обеспечивает воспроизводимость заготовок при повторении одной и той же последовательности операций в идентичных рабочих условиях, что необходимо в рамках промышленного применения.

В предпочтительном варианте используют порошок из суперсплава на основе никеля или кобальта, например, одного из следующих суперсплавов.

Суперсплав 1: на основе Ni, содержащий Со (18%), Cr (11%), Мо (4%), Al (3%), Ti (2,5%), Si (1%), В (0,7%) и следовые количества других элементов.

Суперсплав 2: на основе Со, содержащий Ni (25%), Cr (23%), W (6%), В (0,7%), С (0,4%) и следовые количества других элементов.

Суперсплав 3: на основе Со, содержащий Ni (29%), Cr (18%), W (5%), Si (1,4), В (0,9%), С (0,35%) и следовые количества других элементов.

При выборе используемых связующих веществ предпочтение отдают органическим связующим веществам, например веществам на водной основе; например водной дисперсии порошка ПТФЭ.

Среди других применений настоящего изобретения можно отметить изготовление покрытий истираемых участков и/или поверхностей, а также восстановление изношенных участков деталей, изготовленных из суперсплавов.

1. Способ изготовления защитного покрытия, по меньшей мере, одной защищаемой поверхности металлического изделия и/или подложки, отличающийся тем, что для повышения стойкости к износу трением, в частности при повышенной температуре металлического изделия и/или подложки, формируют гибкий лист из, по меньшей мере, одной пластины, которую получают с помощью технологии заливки на сетку по методу сеткографии из вязкого материала, образованного связующим веществом и металлическим порошком на основе суперсплава, вырезают заготовку из указанного гибкого листа по форме и размерам защищаемой поверхности металлического изделия и/или подложки, накладывают заготовку на защищаемую поверхность металлического изделия и/или подложки, воздействуют на указанные элементы температурой, превышающей температуру плавления связующего вещества, но более низкой, чем температура плавления металлического порошка, для образования покрытия за счет возникновения соединения между заготовкой и защищаемой поверхностью металлического изделия и/или подложки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер зерна металлического порошка выбирают меньшим или равным 90 мкм, предпочтительно в интервале от 40 до 65 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гибкий лист формируют из, по меньшей мере, двух пластин, полученных с применением технологии заливки на сетку по методу сеткографии из вязкого материала, которые накладывают одна на другую и высушивают, по меньшей мере, частично.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что подложку изготавливают из сплава, основу которого образует базовый металл, выбранный из группы, включающей железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Со).

5. Покрытие, предназначенное для защиты металлического изделия и/или подложки, отличающееся тем, что для повышения стойкости к износу трением, в частности, при повышенной температуре металлического изделия и/или подложки, оно образовано из гибкого листа, сформированного из, по меньшей мере, одной пластины, полученной с помощью технологии заливки на сетку по методу сеткографии из вязкого материала, образованного связующим веществом и металлическим порошком на основе суперсплава.

6. Покрытие по п.5, отличающееся тем, что связующее вещество является органическим веществом, предпочтительно содержащим политетрафторэтилен.

7. Покрытие по п.5, отличающееся тем, что суперсплав является суперсплавом на основе никеля (Ni) или кобальта (Со).

8. Покрытие по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что гибкий лист имеет толщину в пределах от 0,3 до 2 мм, предпочтительно от 0,5 до 1 мм.

9. Металлическое изделие, отличающееся тем, что оно снабжено покрытием по любому из пп.5-8.

10. Направляющий кулачок (24), по меньшей мере, для одного ролика (22) системы (20) разворота створки (10) сопла расширяющегося/сужающегося типа турбореактивного двигателя, отличающийся тем, что он образован изделием по п.9.