Исследование эксплуатационных свойств материалов лопаток компрессора с вакуумными наноструктурированными ионно-плазменными покрытиями на основе Ti-C-Si Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.793

С. Р. Шехтман

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА С ВАКУУМНЫМИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМИ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

НА ОСНОВЕ М-а

В работе рассматриваются результаты исследований электродного потенциала, коррозионной и релаксационной стойкости образцов с наноструктурированными покрытиями на основе ТнС-в^ проведены испытания на термоциклирование. Полученные результаты исследования позволяют оценить преимущества наноструктурированных покрытий по сравнению с многослойными и однослойными покрытиями. Вакуумные ионно-плазменные покрытия; многослойные покрытия; исследование свойств покрытий

ВВЕДЕНИЕ

Покрытия, применяемые в настоящее время для целого ряда деталей энергетических установок, работающих в условиях высоких температур, нагрузок и агрессивных сред, не в полной мере отвечают необходимому комплексу требований по их защите, в связи с чем продолжается поиск новых способов и процессов нанесения покрытий в направлении создания многослойных композиций, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами по сравнению с монослойными [1, 2].

Карбиды, силициды и карбосилициды металлов обладают уникальным сочетанием высокой твердости, коррозионной стойкости и термодинамической устойчивости, однако получение таких фаз традиционными методами связано с высокой температурой и продолжительностью процесса их синтеза [3].

В работах [1, 2] был разработан принципиально новый метод получения многослойных ионно-плазменных покрытий системы 'Л-С^, основанный на последовательном осаждении слоев Т и С^ из плазмы, генерируемой титановым и графито-кремниевым катодами и их последующей термической обработкой. Дополнительная бомбардировка ионами аргона конденсированного покрытия на стадии его формирования позволяет получать многослойные многокомпонентные покрытия системы Т>С^, содержащие карбиды и карбосилициды титана.

Дальнейшее проведение исследования эксплуатационных свойств многослойных покрытий системы Т>С^ остается актуальным.

Контактная информация: (347) 238-58-44

1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Синтез многослойных покрытий системы Т>С^ осуществлялся на модернизированной промышленной установке ННВ 6,6-И1 с двух электродуговых испарителей с титановым и графито-кремниевым катодами в условиях плазменного ассистирования с использованием несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда, генерируемого плазменным источником «ПИНК» [4] в среде инертного газа аргона [5].

На образцы, выполненные из материалов 13Х11Н2ВМФ, ЭП718-ИД, ВТ6, наносилось многослойное (8 слоев), трехслойное и наност-руктурированное покрытие. Толщина покрытия и его слоев задавались режимами напыления. Толщина покрытий определялась весовым методом и микроструктурными исследованиями и составляла 5-6 мкм, состоящих из 2... 20 слоев с различной толщиной от 3 мкм до 300 нм [1, 2, 3].

Исследование фазового состава многослойных наноструктурированных покрытий системы Т1-С-81 проводилось на установке «Полюс-4», предназначенной для вторичных масс-

спектрометрических измерений.

Для определения эффективности использования наноструктурированного покрытия системы Т>С^ в качестве защитного покрытия, проводились исследования электродного потенциала, которые заключались в измерении разности потенциалов между индикаторным электродом и электродом сравнения в отсутствие тока в электрохимической цепи. Наблюдение изменения электродного потенциала образцов во времени осуществлялось по общепринятой методике с использованием блока универсального вольтметра с диапазоном от 7 до 35 В.

В качестве электролита был использован 5% раствор NaCl. Электродом сравнения служил хлорсеребряный (AgCl) полуэлемент, погруженный в насыщенный раствор KCl. Определение потенциала коррозии системы осуществляется путем прямого измерения потенциала рабочего электрода по отношению к электроду сравнения.

Для определения защитных свойств покрытий были проведены исследования их коррозионной стойкости. Образцы с покрытием помещались в камеру тропического климата при температуре 300 °С в 3% раствор NaCl и выдерживались в течение 9 циклов. Скорость коррозии оценивалась по изменению массы образца в результате действия коррозионной среды весовым методом.

Для определения релаксационной стойкости (по твердости) образцы с покрытиями нагревались в печи до температур 400, 600, 800 °С и выдерживались в течение времени выдержки - 4, 8 и 16 часов.

Испытания на термоциклирование осуществлялись путем многократного нагрева образцов с покрытиями до температуры 600 °С в печи, выдержкой и последующим охлаждением на воздухе в течение 5 минут.

2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ масс-спектров вторичных ионов, полученных при исследовании образцов из материала 13Х11Н2ВМФ с многослойным покрытием Ti-C-Si-Ti с толщиной слоев h = 1-2 мкм и наноструктурированным покрытием (рис. 1) системы Ti-C-Si (толщина слоев из которых состоит наноструктурированное покрытие 30100 нм), показал наличие следующих элементов и простых соединений: титана, углерода, монокарбида титана, силицида титана, а кроме того, сложных карбидов - дикарбида титана, карбосилицида титана.

Масс-спектры исследованных образцов с многослойными и наноструктурированными покрытиями отличаются лишь интенсивностью.

Количественный анализ масс-спектров показал, что относительная интенсивность пиков соответствующих Ti, в покрытии заметно выше, чем относительная интенсивность пиков С. Это может быть связано с тем, что скорость напыления Ti выше по сравнению со скоростью осаждения графита, что объясняется большей эрозионной способностью Ti (табл. 1).

Таблица 1

Количественный анализ масс-спектров

Многослойное покрытие Ti-C-Si, % Наноструктурированное покрытие Ti-C-Si, %

Ti 22 12

С 6 8

Si 7 10

SiC 22 23

TiC 3 2

<N О Ti 6 9

Ti2C 1 1

TiSi 1 1

Ti i 2 1 2

№С2 1 1

Наноструктурированные покрытия обладают высокой адгезией к исходному материалу, что было подтверждено путем изгиба образцов свидетелей, то есть оценки его скалываемости при загибе образцов на угол 90°.

Микротвердость наноструктурированных покрытий находится в пределах 3,5-3,86 ГПа при твердости основы 2,34-2,51 ГПа. Замеры микротвердости были выполнены на микротвердомере ПМТ-3М и на КЕОБОТ-2,1 с нагрузкой 0,50 Н.

L Si k TbTir TaCsTiSi t L 7tTX TiEd, ThL Tb5-iC2

3D 60 9D 12D 150 130 21D

.гк

Рис. 1. Масс-спектры вторичных ионов наноструктурированного покрытия системы Т1-С-Б1 с толщиной слоев к = 30-100 нм

Визуальный осмотр поверхности (рис. 2) после коррозионных испытаний показал, что на поверхности образца с трехслойным покрытием наблюдается наличие точечной коррозии, тогда как образцы с наноструктурированным покрытием не имеют точечной коррозии. На поверхности образца с наноструктурированном покрытием наблюдается изменение цвета покрытия, цвета побежалости.

Результаты исследования коррозионной стойкости образцов с покрытиями показали, что площадь поражения коррозией у образцов с трехслойным покрытием больше (30%), чем у образцов с наноструктурированным покрытием.

С. Р. Шехтман • Исследование эксплуатационных свойств материалов лопаток компрессора с вакуумными.

77

а б

Рис. 2. Образцы с покрытиями после испытания на коррозионную стойкость.

Подложка 13Х11Н2ВМФ: а - трехслойное покрытие Т1-С-Б1; б - наноструктурированное покрытие Т1-С-Б1

Результаты исследования скорости коррозии (табл. 2) позволяют сделать вывод, что наибольшую защиту от коррозии обеспечивают на-ноструктурированные покрытия, нанесенные методом плазменного ассистирования.

Электродный потенциал наноструктуриро-ванного покрытия, осажденного на образцы из стали 13Х11Н2ВМФ, ниже на 20-25% по сравнению с многослойным покрытием. Следовательно, поверхность наноструктурированного покрытия в большей степени пассивна, что косвенно свидетельствует о ее более высокой коррозионной стойкости (рис. 3).

Т аблица 2

Скорость коррозии образцов с покрытиями

Тип покрытия Масса до испы- тания, г Масса после испы- тания, г Площадь образцов, м2 Ско- рость корро- зии, г/м2-ч

Исход- ный 4,3936 4,3863 00 о о, о" 0,0222 38

3- слойное покры- тие 4,5886 4,5820 0,0201 06

Много- слойное покры- тие 3,7624 3,7564 0,0184 30

Наност- рукту- риро- ванное покры- тие 4,3976 4,3925 0,0155 36

ф, тВ

0Г8 т 1

0,2 ................................

0 30 60 90 120 150 180 210

t, мин

Рис. 3. Электродный потенциал подложки 13Х11Н2ВМФ:

1 - исходное состояние; 2 - многослойное покрытие; 3 - наноструктурированное покрытие

Повышение коррозионных свойств наноструктурированного покрытия по отношению к многослойному покрытию достигается за счет увеличения числа границ между слоями, что препятствует проникновению коррозионного воздействия внешней среды вглубь покрытия, тормозит коррозионные процессы на границе среда-металл.

Кроме того, повышение коррозионных свойств может быть объяснено изменением структуры покрытия и снижением внутренних напряжений в покрытии.

Анализ экспериментальных работ [1, 2, 5] показал, что вакуумные ионно-плазменные покрытия на основе карбидов металлов способны сохранять свое функциональное назначение (твердость, прочность и др.) только до определенных температур, при повышении которых они теряют свои прочностные свойства.

Исследования релаксационной стойкости покрытий системы Ti-C-Si на образцах из материала ЭП718-ИД (рис.4) (при температуре нагрева 600 °С, времени выдержки - 4, 8, 16 часов) показали, что наноструктурированное покрытие обладает более высокой стойкостью по сравнению с многослойным покрытием. Например, микротвердость наноструктурированного покрытия 1 после выдержки при температуре 600 °С в течение 16 часов уменьшается на 10%, в то время как микротвердость многослойного покрытия уменьшается на 25-30% (рис. 4), что может быть объяснено, согласно ВИМС, большим содержанием карбида и карбосилицида титана в наноструктурированном покрытии.

Рис. 4. Зависимость микротвердости от времени нагрева при температуре 600 °С.

Подложка ЭП718 -ИД: 1 - трехслойное покрытие, 2 - исходное состояние, 3 -наноструктурированное покрытие

В табл. 3 представлены результаты экспериментов по термоциклированию образцов с многослойными покрытиями системы Т1-С-81.

Анализ результатов экспериментов показал, что наноструктурированное покрытие обладает большей термостойкостью, чем многослойное покрытие. Большая термостойкость нанострук-турированного покрытия может быть объяснена меньшими остаточными напряжениями, что приводит к увеличению упругопластических свойств комплекса «покрытие-подложка», которые играют определяющую роль при циклическом изменении температуры.

Таблица 3 Количество циклов до разрушения при термоциклировании

Вид Многослой- Наноструктури- рованное покрытие

покрытия ное покрытие

Количество циклов 740 >1100

Наноструктурированное покрытие обладает повышенными эксплуатационными свойствами благодаря чередующимся тонким слоям переменной твердости и различного фазового состава.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что осаждение Ті, чередующегося с осаждением С и 8і в условиях дополнительной бомбардировки ионами Аг, приводит к формированию многослойного покры-

тия, содержащего титан, углерод, карбиды титана и кремния, силициды титана, карбосилици-ды. При переходе от многослойного покрытия к наноструктурированному покрытию, вследствие взаимодействия между слоями Ті и С-8і, на границе раздела слоев происходит снижение содержания Ті, С и повышение содержания карбида и карбосилицида титана.

2. Установлено, что увеличение содержания карбида и карбосилицида титана в нанострукту-рированном покрытии, в сравнении с многослойным, обуславливает повышение микротвердости на 20-50%, релаксационной стойкости на 30% и снижение электродного потенциала на 20-25%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мухин В. С., Шехтман С. Р. Эксплуатационные свойства вакуумных ионно-плазменных нано-структурированных покрытий на деталях энергетических установок // Сб. докл. Харьковск. нано-технологическ. ассамблеи: сб. докл. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2008. С. 30-33.

2. Будилов В. В., Мухин В. С., Шехтман С. Р. Нанотехнологии обработки поверхности деталей на основе вакуумных ионно-плазменных методов. Физические основы и технические решения. М.: Наука, 2008. 194 с.

3. Анциферов В. Н., Косогор С. П. Многослойные вакуумно-плазменные покрытия на основе карбидов титана и хрома, их структура и свойства //Физика и химия обработки материалов. 1996. №6. С. 61-65.

4. Коваль Н. Н. Источники низкотемпературной плазмы и электронных пучков на основе дуговых разрядов низкого давления с полым анодом: Дисс... в виде науч. докл. на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук. Томск, 2000. 74 с.

5. Мухин В. С., Шехтман С. Р. Поверхность технического объекта: физика, химия, механика, нанотехнология // Вестник УГАТУ. 2007. Т. 9., № 1 (19). С. 84-91.

ОБ АВТОРЕ

Шехтман Семен Романович,

и. о. декана ВФ декана УГАТУ при УМПО. Дипл. инж. (УГАТУ, 1993). Канд. техн. наук по тепл. двиг. ЛА (УГАТУ, 1999). Иссл. в обл. вакуумных ионно-плазм. технологий