книги из ГПНТБ / Многокомпонентные диффузионные покрытия

Исходя из изложенного выше, при разработке многоком­ понентных покрытий, на наш взгляд, целесообразно использо­ вать новый методологический подход, например математиче­ ские методы планирования экспериментов щ в частности, методы комбинаторики.

В настоящее время для нанесения многокомпонентных диф­ фузионных покрытий используются обычно два метода: насы­ щение из порошков элементов или их ферросплавов с добав­ кой активизаторов и алюмипотермический метод (насыщение из порошков окислов). Для этой цели могут быть использова­ ны также шликерный метод нанесения покрытий, химико-тер­ мическая обработка пастами и насыщение из металлических расплавов с добавками соответствующих элементов.

При насыщении из порошков процесс проводится в герме­ тичных контейнерах, преимущественно в контейнерах с плав­ кими затворами.

Ниже приведены имеющиеся в литературе, а также в рас­ поряжении авторов сведения по технологии нанесения, кине­ тике формирования и свойствам некоторых трехкомпонентных покрытий.

1. ХРОМОАЛ ЮМОСИЛИЦИРОВАНИЕ *

Одновременное насыщение металлов и сплавов хромом, алюминием и кремнием применяется для обработки деталей, подвергающихся воздействию высоких температур: выхлопных систем двигателей, турбинных лопаток двигателей, жаровых труб, камер сгорания, печных поддонов, тиглей и т. д. Этот процесс может быть использован также для повышения корро­ зионной стойкости металлов и сплавов в ряде агрессивных сред.

Как правило, для нанесения Сг — А1 — Si-покрытий ис­ пользуется порошковый метод [1* 101, 272, 301]. Для насыще­ ния используются смеси на основе чистых элементов (послед­ ние могут быть заменены ферросплавами) с добавкой окиси алюминия и хлористого аммония. В работе [101] имеется ука­ зание, что хорошие результаты дает обработка сплавов в сме­ сях, содержащих 10% А1 и до 10% Si. В работе [28] была принята следующая система в изменении состава смесей.

Сумма трех насыщающих элементов составляла 50% сме­ си. Причем содержание одного из них в каждой серии опытов оставалось постоянным, а содержание двух других изменялось через 5— 10%. Оставшиеся 50% смеси приходились на окись

* Процесс насыщения металлов и сплавов Сг—А1—Si по терминологии Г. В. Дубинина [101] называется хромоалюмрсилицированием, а в работах Г. В. Земскова и др. — алюмохромосилицированием.

252

алюминия (45%) и хлористый аммоний (5%)- Насыщение проводилось при 850 °С в контейнерах с плавными затворами в течение 5 ч . Для сплава ЖС6К, исходя из результатов вы­ полненных исследований, рекомендованы смеси на основе А1

снебольшими добавками кремния и хрома.

Внаших исследованиях использован алюминотермический

метод получения Сг—А1—Si-покрытий. Поставщиками актив­ ных атомов хрома и кремния являлись их окислы; алюминий являлся одновременно и восстановителем и диффузантом.

Влияние содержания алюминия в шихте (опти­ мальной для хромосилицирования) при постоянном со­ держании балластной до-

Рис. 114. Влияние содержания алюминия в шихте на глубину хромоалюмосилицированных слоев на железе (1) и стали У8 (2):

100% {30% А12О3+70% [«%АІ-Ь(100—/г)%

<85%Сг203+ 15%SiO,)]} 4 5%A1F3(t - —1100 С, т = 4 г )

Содержание 4 L , Вес. %

бавки и активизатора (A1F3) на формирование хромоалюмосилицировашюго покрытия приведено на рис. 114.

С повышением содержания алюминия в насыщающей сме­ си глубина покрытия увеличивается и при содержании выше 40% А1 происходит преимущественно алитирование.

Для практического использования может быть рекомендо­ вана смесь следующего состава, вес. %:

95% {30% А1.рз + 70% [30 — 40% А1 + 70 — 60%(85%Сг2О8+

Д-15%Si02)]} -f- 5%A1F3.

Влияние температуры процесса и времени насыщения в смеси с 30% А1 показано на рис. 115. Как видно из представ­ ленных данных, ни экспоненциальный, ни параболитический законы роста при Сг — А1 — Si не выполняются.

Типичные микроструктуры диффузионных слоев на железе

истали 45 представлены на рис. 116. На техническом железе с поверхности при хромоалюмосилицировании формируется упорядоченный твердый раствор Fe3Si, легированный хромом

иалюминием, с микротвердостью 645—616 кГ/мм2. Фаза Fe3Si изоморфна химическому соединению Cr3Si и сверхструктурам

FeAl и Fe3Al, последние располагаются непосредственно за а'-фазой и легированы хромом и кремнием.

253

минимальной толщины составляет 650—750 кГ/мм2, во всех остальных случаях 800—900 кГ/мм2 (рис. 117).

Получаемые диффузионные покрытия отличаются от али­ тированных (по микроструктуре) лишь в том случае, если они получены из смесей, содержащих большие количества хрома

и кремния.

Для практического использования, как уже отмечалось выше, рекомендованы смеси с небольшим содержанием крем­

ния и хрома.

Как показал рентгенострук­ турный анализ, при насыщении комплексом Сг—А1—Si (опти­ мального состава) преобла­ дающей фазой в слое является №2А1з. Химическим анализом определены концентрации ле­ гирующих элементов в слое (рис. 118). В поверхностной зоне толщиной 40—60 мк со­ держание алюминия остается постоянным и равным 45— 50% ; кремний обнаружен в зо­ не до 60 мк в количестве около

Рис. 116. Микроструктура Сг—А1—Si- покрытия на железе, х200

3%, содержание никеля в поверхностном слое составляет 50—40%.

ростойкости в случае кратковременных испытаний несколько

2 5 5

30% Cr

15 % C r

Рис. 117. Микротвердость Cr—Al—Si-покрытий на сплаве ЖС6К

Высокая жаропрочность сталей объясняется высокой проч­

термической усталости [101J.

Хромоалюмосилицированные покрытия, полученные в смесях, в которых содержание хрома и кремния не превышало 20—25% (каждого), надежно защищает сплав ЖС6К от окисления при температуре 1100 °С (тИсп = 200 ч) [28]. Наибо­ лее жаростойкими являются покрытия, полученные в смесях

Рис. 118. Распределение элементов в диффузионном Сг—А1—Si слое сплава ЖС6К

с малыми добавками хрома и кремния (до 10—15% каждого). Образцы, обработанные в указанных смесях, давали самый малый привес (на 20—30% меньший, чем у алитированных образцов) и в их микроструктуре отсутствовала фаза ЫізАІ, обладающая низкой жаростойкостью.

при температуре 1150°С и скорости газового потока 610 м/сек.

для повышения эрозионной стойкости защитных чехлов термо­ пар, предназначенных для измерения температур во входном

258

В Англии хромоалюмосилицированию подвергали турбин­ ные лопатки (из молибдена) двигателя вертолета «Ротодайн», на кромках которых температура достигает 1500—1600°С [272].

Хромоалюмосилицирование надежно защищает средне- и высокоуглеродистые стали от коррозии в водных растворах азотной кислоты. Заметно повышается коррозионная стой­ кость хромоалюмосилицированных сталей в водном растворе хлористого натрия. От коррозии в растворах серной, соляной, фосфорной и уксусной кислот С г— Â1 — Si-покрытие не защищает.

2. ХРОМОТИТАНОАЛИТИРОВАНИЕ

Совместное насыщение металлов и сплавов хромом, тита­ ном и алюминием может быть использовано с целью повыше­ ния жаростойкости и коррозионной стойкости в различных агрессивных средах.

Достаточно изучен только один метод хромотитаноалитирования — алюминотермический. В качестве поставщиков ак­ тивных атомов хрома и титана в алюминотермических смесях используются их окислы. Поставщиком активных атомов алю­ миния является чистый алюминий, который задается в смесь в больших количествах, чем необходимо для полного восста­

МН

новления Сг20з и Ті02. Совершенно очевидно также, что на­ сыщение можно проводить из порошков чистых металлов. При соответствующем подборе их соотношения можно полу­ чить аналогичные результаты. Однако алюминотермический метод экономически более оправдан.

Влияние соотношения окислов титана и хрома при по­ стоянном содержании алюминия, балластной добавки (А120 3)