ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Для деталей газотурбинных установок, эксплуатируемых в условиях коррозионно-эрозионного воздействия и интенсивного изнашивания, наиболее приемлемыми считаются композиции, содержащие в своем составе Ni, Co, Cr, Al, B, Y как в чистом виде, так и в составе соединений, наносимых на контактную поверхность при газотермическом напылении. Перспективными являются современные интегрированные комплексы, полученные объединением разнородных веществ в виде единой композиции. Такие порошки получают либо за счет плакирования, либо при конгломерировании тонкодисперсных исходных компонентов в более крупную частицу. Проблема разработки и изготовления установок для конгломерирования порошков является актуальной и практически важной, поскольку позволяет получать материал для газотермического напыления покрытий высокотемпературного назначения. Цель работы – разработать технологическую схему получения порошков требуемого химического состава с заданной формой и размером частиц, предназначенных для напыления высокотемпературных защитных покрытий. Материалы и методы исследования. Разработана технология получения интегрированных порошков для напыления покрытий с использованием метода распылительной сушки и последующего спекания в вакууме или в аргоно-водородной газовой среде, которая позволяет избежать потери исходного сырья за счет возврата мелкой и крупной фракции. Предложена технология подготовки материалов для распылительной сушки и гранулирования. Сконструирован и изготовлен аэродинамический классификатор гравитационного типа, позволяющий в автоматическом режиме осуществлять отбор необходимой для напыления покрытия фракции порошка, а также возврат нежелательной фракции на повторную переработку. Морфологию гранулированного порошка определяли на сканирующем электронном микроскопе TESCAN. Химический состав получаемых интегрированных комплексов определен методом микрорентгеноспектрального анализа на приставке OXFORD. Результаты и обсуждения. Установлены технологические условия получения порошков заданного размера (40…100 мкм). Показано, что форма частиц конгломерата после распылительной сушки близка к сферической. На основе многофакторного эксперимента выполнена оптимизация технологического процесса получения порошка Ni-17Cr-10Al-1Y и Ni-22Cr-16Al-1Y размерами до 100 мкм. Показано, что при конгломерировании порошков с повышенным содержанием алюминия (Ni-22Cr-16Al-1Y) необходимо учитывать экзотермическую реакцию образования алюминидов никеля и разбавлять смесь исходных компонентов перед спеканием готовым спеченным порошком. Получаемые интегрированные комплексы характеризуются высокой жаростойкостью, поэтому предназначены и успешно используются для плазменного напыления защитных покрытий высокотемпературного назначения. Выводы. Разработана технология получения композиционных конгломерированных порошков Ni-17C-10Al-1Y и Ni-22Cr-16Al-1Y размерами частиц до 100 мкм и формой, близкой сферической. Отличительной особенностью этой технологии является то, что она позволяет избежать потери исходного сырья за счет возврата мелкой и крупной фракций.

1. Rickerby D.S., Winstone M.R. Coatings for gas tyrbines // Journal of Manufacturing Processes. – 1992. – Vol. 7, iss. 4. – P. 485–526. – DOI: 10.1080/10426919208947439.

2. Burgel R. Coating service experience with industrial gas turbines // Journal of Materials Science and Technology. – 1986. – Vol. 2. – P. 302–308. – DOI: 10.1179/mst.1986.2.3.302.

3. Гузанов Б.Н., Косицын С.В., Пугачева Н.Б. Упрочняющие защитные покрытия в машиностроении. – Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 244 с. – ISBN 5-7691-1405-3.

4. Chaki T.K., Singht A.K., Sadananda K. Effect of Co-Cr-Al-Y coating on microstructural stability and creep behavior of nickel-base superalloy // Thin Solid Films. – 1989. – Vol. 168. – P. 207–220. – DOI: 10.1016/0040-6090(89)90007-2.

5. Мубояджан С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. – Екатеринбург: Квист, 2008. – 208 с. – ISBN 5-900474-60-7.

6. Газотермическое напыление композиционных порошков / А.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, А.С. Мнухин, М.Д. Никитин. – Л.: Машиностроение, 1985. – 199 с.

7. Uusitalo M.A., Vuristo P.M.J., Mantyla T.A. Elevated temperature erosion-corrosion of thermal sprayed coatings in chlorine containing environments // Wear. – 2002. – Vol. 252, iss. 7–8. – P. 586–594. – DOI: 10.1016/S0043-1648(02)00014-5.

8. Lai G.Y. High-temperature corrosion and materials application. – Materials Park, Ohio: ASM International, 2007. – 461 p. – ISBN 978-0-87170-853-3.

9. Sidhu S.S., Prakash S. Performance of NiCrAlY, Ni-Cr, Stellite-6 and Ni3Al coatings in Na2SO4-60% V2O5 environment at 900° under cyclic conditions // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 201, iss. 3–4. – P. 1643–1654. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.02.035.

10. Matthews S., Schweizer M. Optimization of arc-sprayed Ni-Cr-Ti coatings for high temperature corrosion applications // Journal of Thermal Spray Technology. – 2013. – Vol. 22, iss. 4. – P. 538–550. – DOI: 10.1007/s11666-013-9914-y.

11. Конгломерированные композиционные порошки для газотермического напыления / В.Р. Калиновский, Ю.В. Соколов, А.Ф. Ильющенко, В.В. Трощий, А.В. Калиновский // Перспективы развития поверхностного и объемного упрочнения сплавов: сборник научных трудов, посвященный 40-летию кафедры «Материаловедение в машиностроении» / под ред. Л.Г. Ворошина. – Минск, 2004. – С. 124–133.

12. Ильинкова Т.А., Барсукова Е.А., Тагиров А.Т. Взаимосвязь характеристик порошковых материалов и механических свойств плазменных теплозащитных покрытий // Вестник технологического университета. – 2015. – Т. 18, № 15. – С. 116–121.

13. Особенности структуры и свойств γ+β сплавов Ni-Cr-Al вблизи эвтектического состава / С.В. Косицын, Б.Н. Гузанов, С.Д. Алексин, А.А. Копылов // Физика металлов и металловедение. – 1990. – № 9. – С. 114–122.

14. Tingaud D. Nardou F. Influence of non-reactive particles on the microstructure of NiAl and NiAl–ZrO2 processed by thermal explosion // Intermetallics. – 2008. – Vol. 16, iss. 5. – P. 732–737. – DOI: 10.1016/j.intermet.2008.02.016.

15. Пугачева Н.Б. Современные тенденции развития жаростойких покрытий на основе алюминидов железа, никеля и кобальта // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2015. – Iss. 3. – P. 51–82. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.3.051-082. – URL: https://www.dream-journal.org/DREAM_Issue_3_2015_Pugacheva_N._B._051_082..pdf (дата обращения: 14.01.2021).

16. Studying the structure and adhesion strength of thermal barriers coating / N.B. Pugacheva, B.N. Guzanov, N.V. Obabkov, T.M. Bykova, N.S. Michurov // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2176. – P. 030013-1–030013-4. – DOI: 10.1063/1.5135137.

17. Особенности создания комбинированных теплостойких покрытий для деталей высокотемпературного назначения / Б.Н. Гузанов, Н.Б. Пугачева, В.Д. Алексеев, Е.Ю. Слукин // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 12–19. – DOI: 10.15593/2224-9877/2020.3.02.

18. Белопольский М.С. Сушка керамических суспензий в распылительных сушилках. – М.: Стройиздат, 1972. – 126 с.

19. Поляков А.А., Круглицкий Н.Н. Распылительная сушка в технологии радиоэлектронных материалов. – М.: Радио и связь, 1982. – 70 с.

20. Лыков М.М., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. – М.: Машиностроение, 1966. – 331 с.

21. Патент 3960545 США, МКИ В 22 F 9/00. Cermet plasma flame spray powder, method for producing same and articles produced the reform / Port D.J., Lafferty W.D., Cheney R.F. (USA); GTE Sylvania Incorporated (USA). – N 561638. – Publ. 01.06.1976.

22. Патент 4025334 США, МКИ В 22 F 1/00, C 23 C 7/00. Tungsten carbide-cobalt flame spray powder and method / Cheney R.F., Lafferty W.D., Long G. (USA); GTE Sylvania Incorporated (USA). – N 674961. – Publ. 24.05.1977.

23. Патент 3881911 США, МКИ С 22 C 1/04-1/05, С 04 B 35/52-35/38. Free flowing, sintered refractory agglomerates / Cheney R.F., Lafferty W.D., Long G. (USA); GTE Sylvania Incorporated (USA). – N 411663. – Publ. 06.05.1975.

24. Stecura S. Effects of yttrium, aluminum and chromium concentrations in bond coatings on the performance of zirconia-yttria thermal barriers // Thin Solid Films. – 1980. – Vol. 73, iss. 2. – P. 481–489. – DOI: 10.1016/0040-6090(80)90521-0.

25. Mrdak M.R. Mechanical properties and metallographic analysis of plasma spray ABS – Ni5.5wt.%Al5wt.%Mo coatings // Vojnotehnicki glasnik / Militaru Technical Courier. – 2019. – Vol. 67, iss. 3. – P. 573– 587. – DOI: 10.5937/vojtehg67-17424.

26. Витман Л.А., Кацнельсон Б.Д., Палеев В.И. Распыливание жидкости форсунками. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 264 с.