Способ формирования керамического покрытия на основе диоксида циркония на изделии из титанового сплава

Изобретение относится к области получения керамических покрытий методами электроплазменного напыления на изделиях из титановых сплавов и может быть использовано в приборостроении и машиностроении, в частности в деталях компрессоров и турбин газотурбинных двигателей, в имплантируемых медицинских конструкциях. Способ формирования керамического покрытия на основе диоксида циркония на изделии из титанового сплава включает электроплазменное напыление покрытия на основе диоксида и его модифицирование путем проведения микродугового оксидирования в водном щелочном электролите на основе гидроксида натрия с концентрацией 1-3 г/л в анодном режиме при постоянной плотности тока (2-2,5)×10³ A/м² продолжительностью 20-30 мин. Техническим результатом изобретения является повышение адгезии и микротвердости покрытия на основе диоксида циркония. 2 ил., 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области повышения свойств керамических покрытий на основе диоксида циркония, полученных методами электроплазменного напыления на изделиях приборостроения и машиностроения: детали компрессоров и турбин газотурбинных двигателей; имплантируемые медицинские конструкции.

Высокая эффективность функционирования изделий приборостроения обеспечивается упрочнением их рабочих поверхностей функциональными покрытиями, сформированными различными способами. Широкое применение в производстве изделий различного назначения получили газотермические методы напыления, среди которых наиболее распространена технология электроплазменного напыления покрытий на основе различных оксидов (Al₂O₃, ZrO₂ и др.). Физико-механическая сущность процесса электроплазменного напыления обусловливает неоднородность структуры и механических свойств получаемых покрытий, наличие в них трещин и отслоений, что снижает функциональные качества поверхностного слоя изделий.

Метод электроплазменного напыления предусматривает введение в технологический процесс дополнительных операций, проведение технологически сложных операций упрочняющей обработки покрытия после его формирования, подготовки наносимых порошков (например, плакирование металлами), что является экономически малоэффективным, при этом не исключается возможность загрязнения покрытия примесями. Это способствует поиску новых путей решения имеющейся проблемы.

Известен способ упрочнения керамического теплозащитного покрытия, включающий плазменное нанесение металлического подслоя из сплава хрома, алюминия, иттрия или иттербия с никелем, или кобальтом, или железом и основного слоя из частично стабилизированного диоксида циркония с добавлением 5-40 об. % порошка стекла [Патент РФ на изобретение №2021389 / А.А. Верстак, С.Б. Соболевский // Способ получения теплозащитного покрытия. - 1994].

Основными недостатками способа являются использование дорогостоящих материалов (никель, иттрий), технологическая сложность процесса.

Известен также способ упрочнения покрытия, включающий нанесение перед плазменным напылением порошка диоксида циркония на поверхность изделия связующего вещества, содержащего хром, алюминий, иттрий, и последующую после напыления тепловую обработку в вакууме или на воздухе при температуре выше 1000°C в течение 1-10 ч [Заявка на изобретение №2008151788/02 от 15.05.2007 / Т.А. Тэйлор, А. Фойерштайн, Э. Болкавадж, Д.Л. Эпплбай, Н. Хитчман // Покрытия концевой части лопатки из высокочистых порошков].

Основными недостатками способа являются использование дорогостоящих материалов (никель, иттрий) и длительность тепловой обработки.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ упрочнения покрытия изделий из алюминия, титана, циркония и их сплавов методом микродугового оксидирования в режиме постоянного тока в комбинированном электролите на основе жидкого стекла 80-120 г/л, хромата натрия 2-10 г/л и гидроксида натрия 2-10 г/л, продолжительностью до 1,5 ч при плотности тока 5-25 А/дм² и напряжении 120-500 В [Патент РФ на изобретение №2238352 / И.А. Казанцев, B.C. Скачков, А.Е. Розен, А.О. Кризенков // Способ получения покрытий. - 2004].

Недостатками способа являются длительность процесса (до 1,5 ч) и наличие диоксида кремния в составе получаемого покрытия, что снижает его прочностные характеристики.

Задачей изобретения является разработка способа повышения механических свойств оксидных электроплазменных напыленных покрытий на основе диоксида циркония на изделиях из титановых сплавов, обеспечивающего упрочнение покрытий.

Техническим результатом является повышение адгезии и микротвердости покрытий на основе диоксида циркония, сформированных электроплазменным напылением. Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает упрощение технологического процесса обработки покрытия при сокращении времени обработки.

Поставленная задача решается тем, что покрытие на основе диоксида циркония на изделиях из титановых сплавов, предварительно сформированное методом электроплазменного напыления диоксида циркония, модифицируют путем проведения процесса микродугового оксидирования в анодном режиме при постоянной плотности тока (2-2,5)×10³ А/м² продолжительностью 20-30 мин в водном щелочном электролите на основе гидроксида натрия концентрации 1-3 г/л.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены схема плазменного напыления (фиг. 1) и схема микродугового оксидирования (фиг. 2). В процессе получения покрытия используются: плазмотрон 1 для нанесения материала покрытия в виде порошка 2 на основу изделия 3, компрессор 4, который подает воздух в придонную часть электролитической ванны 6, источник питания 5.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Изделие 3 из титанового сплава с предварительно сформированным методом электроплазменного напыления (фиг. 1) покрытием на основе диоксида циркония толщиной 40-70 мкм, подвергают оксидированию на установке микродугового оксидирования (источник 5) в электролитической ванне 6, заполненной щелочным электролитом на основе водного раствора гидроксида натрия концентрации 1-3 г/л, в течение 20-30 мин, в анодном режиме при постоянной плотности тока (2-2,5)×10³ А/м² (фиг. 2). Перемешивание электролита осуществляют подачей воздуха с помощью компрессора 4 в придонную область электролитической ванны. При этом предварительно сформированное покрытие на изделиях из титановых сплавов может быть получено при напылении порошка диоксида циркония 2 дисперсностью 50-90 мкм с дистанции 90-120 мм при токе дуги плазмотрона 1, равным 300-400 А (фиг. 1), что позволяет наносить равномерное покрытие с оптимальной толщиной и структурой. При уменьшении дисперсности порошка диоксида циркония (менее 50) увеличивается разброс напыленных частиц по поверхности основы, толщина покрытия уменьшается. При увеличении дисперсности (более 90 мкм) в структуре наблюдаются непроплавленные зерна, имеющие низкую адгезию к основе; при токе дуги менее 300 А и дистанции напыления менее 90 мм уменьшается степень проплавления частиц напыляемого порошка. При увеличении тока дуги (более 400 А) и дистанции напыления (более 120 мм) увеличивается степень проплавления и разброс по поверхности основы напыляемых частиц, уменьшается равномерность покрытия.

Выбранные режимы микродутового оксидирования обеспечивают равномерное проплавление плазмонапыленного покрытия по всей поверхности: при уменьшении длительности процесса (менее 20 мин) и плотности тока (менее 2×10³ А/м²) увеличивается доля не проплавленных участков плазмонапыленного покрытия, при увеличении плотности тока (более 2,5×10³ А/м²) увеличивается вероятность разрушения плазмонапыленного покрытия. При увеличении длительности процесса оксидирования (свыше 30 мин) повышается содержание материала основы в покрытии. Выбранный тип электролита - щелочной на основе водного раствора гидроксида натрия с концентрацией 1-3 г/л, для проведения процесса микродугового оксидирования позволяет избежать интенсивного травления покрытия и материала основы; наличия в покрытии элементов, входящих в состав электролита.

Пример осуществления способа повышения механических свойств покрытия.

Лопасть турбины из титанового сплава ВТ16 с покрытием толщиной 60 мкм, предварительно сформированным электроплазменным напылением порошка диоксида циркония дисперсностью 50-90 мкм с дистанции 110 мм при токе дуги 350 А, подвергали микродуговому оксидированию на лабораторной установке МДО-1 при комнатной температуре продолжительностью 20-30 мин в анодном режиме при плотности тока (2-2,5)×10³ А/м² и напряжении 100-250 В, в щелочном электролите на основе водного раствора гидроксида натрия концентрацией 1-3 г/л (табл. 2, примеры 6-8). Перемешивание электролита осуществлялось подачей воздуха в придонную область электролитической ванны.

Параметры технологического режима нанесения покрытий и их оптимальные значения представлены в табл. 1, 2.

Для подтверждения повышения механических характеристик плазмонапыленных покрытий были проведены измерения адгезии (ГОСТ 27890-88) и микротвердости покрытий (ГОСТ 9450-76), полученных предлагаемым способом и покрытий образцов, полученных следующими методами: электроплазменного напыления (ЭПН), микродугового оксидирования (МДО) и микродугового оксидирования с последующим электроплазменным напылением (МДО+ЭПН) по технологическим режимам табл. 1. Результаты измерений адгезии и микротвердости покрытий, сформированных на образцах опытной партии титанового сплава ВТ16, представлены в табл. 2.

Как показали результаты опытной проверки, предлагаемый способ модификации покрытий на титановом сплаве ВТ16, полученных ЭПН порошка диоксида циркония, путем проведения процесса МДО, позволяет формировать покрытия с более высокими показателями адгезии и микротвердости. Аналогичные результаты достигаются на титановых сплавах ВТ6, ВТ5, ВТ3, ВТ1.

Способ формирования керамического покрытия на основе диоксида циркония на изделии из титанового сплава, включающий электроплазменное напыление покрытия на основе диоксида, отличающийся тем, что после напыления покрытия его модифицируют путем проведения микродугового оксидирования в водном щелочном электролите на основе гидроксида натрия с концентрацией 1-3 г/л в анодном режиме при постоянной плотности тока (2-2,5)×10³ A/м² продолжительностью 20-30 мин.