1.5.2 Обоснование выбора технологических режимов обработки

Выбор режимов обработки проведен на основании изученных литературных источников, патентной информации и нормативной документации базового предприятия.

Имплантацию ионов азота проводят при режиме, обеспечивающем легирование поверхностного слоя толщиной п равной 30 мкм. В [14] показано, что увеличение стойкости фрез из быстрорежущей стали вдвое достигается при следующем режиме имплантации ионов азота:

Параметр Значение

Энергия ионов Е_i, эВ 1000

Доза ионов , ион/см² 210¹⁷

Плотность тока высокоэнергетичных ионов j, мкА/см² 5

Ионную очистку и активацию поверхностей фрез производят ионами титана при следующих значениях параметров режима [15]:

Параметр Значение

Остаточное давление в вакуумной камере р, Па 10^-3

Ток дуги I_Д, А 80... 120

Потенциал смещения на подложке U_СМ, кВ -1,5

Время распыления т, мин 15

За указанное выше время происходит распыление слоя подложки глубиной 1500 , соответствующего максимальному пробегу ионов в приповерхностном слое при заданной энергии бомбардирующих ионов.

Осаждение слоя ТiN проводят при следующих значениях режимов:

Параметр	Значение
Материал катода	ВТ 1-0
Потенциал смещения на подложке Uсм, В	100. ..150
Ток дуги плазматронов IД, А	100.110
Давление азота р, Па	1,33-103
Время напыления , мин	7

При указанном потенциале смещения происходит образование слоев покрытия с мелкозернистой структурой [8]. Ограничение тока дуги связано с образованием капельной фазы в покрытии. Осаждение нитрида титана проводят при давлении азота в камере 1,33*10^-3 Па, соответствующего интервалу оптимальных давлений по стойкости для покрытий Т1М напыляемых на подвижные подложки (при этом давлении образуется покрытие стехиометрического состава) [5].

Повышение качества покрытия достигается раздельной ионизацией азота плазмогенератором «ПИНК».

1.5.3 Описание технологического процесса и документирование.

Описание технологического процесса

Поступающие на обработку изделия подвергают входному контролю. Контролер проверяет сопроводительные документы и проводит визуальный контроль на отсутствие недопустимых дефектов (трещин, забоин, рисок, заусенец и пр.).

Перед обработкой изделий необходимо подготовить камеру. Подготовка включает очистку внутренней поверхности камеры и приемного устройства от пыли с помощью пылесоса и протирку бязевыми салфетками, смоченными в спирте. При необходимости производится замена расходуемых катодов или накаливаемого катода.

Лопатки, прошедшие входной контроль, подвергают ультразвуковой очистке в моющем растворе, после чего промываются в проточной воде при температуре 70…80 Cдо полного удаления остатков моющего раствора. При этом визуально контролируется качество обезжиривания: должно быть полное равномерное смачивание поверхности водой.

С начала очистки изделия транспортируются только в специальной таре, а все манипуляции с ними рабочие производят только в резиновых обезжиренных спиртом перчатках. При условии выполнения действий с лопатками каким либо специальным инструментом допускается работать в чистых бязевых перчатках.

После промывки лопатки подвергают сушке в сушильном шкафу при температуре 80…100 Cв течение 30 минут.

Высушенные лопатки обезвоживают, протирая чистыми бязевыми салфетками, смоченными в спирте. Допускается осушка окунанием в спирт.

Монтаж изделий на приемное устройство производят с помощью переходников. Лопатку закрепляют в переходнике на столе, покрытом чистой бязью. Затем лопатку вместе с переходником устанавливают на вращатель. Загрузка изделий осуществляется садками. Количество изделий в садке определяется вместимостью приемного устройства. Садка снабжается образцом-свидетелем. После загрузки садки, крышку камеры закрывают. Время между окончанием операции подготовки поверхности перед загрузкой в вакуумную камеру и началом технологического процесса нанесения покрытия не должно превышать 30 минут.

Камеру откачивают до давления 510^-3Па и производят подготовку газовой системы путем продувки шлангов. Затем проводят ионно-плазменную обработку изделий в следующей последовательности:

1) очистка ионами аргона (ускоряющее напряжение 1000 В);

2) плазменное хромирование;

3) плазменное азотирование;

4) осаждение многослойного покрытия.

Лопатки остужают до 150 C(в течение 30 минут), после чего напускают в камеру воздух и открывают крышку камеры. Лопатки в сборе с переходниками выкладываются на рабочий стол, отсоединяются от переходников и укладываются в специальную тару.

Обработанные лопатки подвергают визуальному осмотру на отсутствие механических повреждений, загрязнений и дефектов покрытия (отслоений, трещин, раковин, прижогов). Контроль микротвердости и толщины покрытия проводит на образцах свидетелях металлографическая лаборатория.

Обработанные и прошедшие контроль лопатки укладывают в транспортировочные ящики и опечатывают. Ответственное лицо заполняет сопроводительную документацию

Технология обработки определяется прежде всего воздействием, от которого необходимо защитить изделие. Одно из преимуществ вакуумной ионно-плазменной технологии – в том, что она позволяет совместить в едином цикле термическую обработку изделия, очистку поверхности, изменение химического состава поверхностного слоя (ионная имплантация) и нанесение покрытия.

Для получения совокупности требуемых эксплуатационных характеристик технология обработки рабочих лопаток должна включать ионную имплантацию (для обеспечения твердости поверхностного слоя подложки под покрытием и изменения ее электродного потенциала) и нанесение покрытия (для обеспечения коррозионной и эрозионной стойкости).

Традиционно для повышения твердости и прочности поверхностного слоя сталей и других сплавов используется имплантация ионов азота (плазменное азотирование). Однако для обеспечения дополнительной защиты изделия от коррозии в данном процессе целесообразно использовать ионную имплантацию поверхности ионами нитрида. совмещенное с плазменным азотированием. Образование в поверхности изделий нитрида нитрида TiN приводит к повышению электрохимического (стационарного) потенциала стали. Этот нитрид является эффективным катодом, облегчающим пассивирование металла [15].

Наиболее распространенным материалом вакуумных ионно-плазменных покрытий является нитрид титана TiN. Такое покрытие широко применяется и для рабочих лопаток. Однако для первых ступеней где рабочая температура пара составляет 540 С оно не обладает достаточной жаростойкостью (рабочая температура для TiN 450 C). Оптимальным является применение многослойного покрытия, состоящего из чередующихся слоев титана и нитрида титана.

Нитрид титана сочетает в себе хорошие эксплуатационные свойства с относительной химической инертностью. Имеет лучшую коррозионную стойкость, чем нитрид хрома, особенно в водных растворах [16]. Управление технологическим процессом при формировании покрытия позволяет получать различные составы обладающего повышенной твердостью.

Структура поверхности лопаток после обработки представлена на рисунке 2.3.

Состояние поверхности перед нанесением покрытий определяет физико-химические процессы, происходящие на поверхности, и свойства покрытий. Для получения высокой адгезии покрытия к подложке, необходимо с поверхности удалить имеющуюся на ней адсорбированную пленку, загрязнения, окалину. Различают механическую, химическую очистки, термообработку на воздухе и вакууме, очистку и активацию поверхности в вакууме с помощью ионных или плазменных потоков.

Рисунок 3.3 – Структура поверхности изделия после обработки

(приблизительные толщины слоев в мкм)

Проведенные эксперименты [17] показывают, что наиболее эффективной формой очистки поверхности перед напылением является ионная очистка. Тем не менее тщательная предварительна химическая и механическая подготовка необходимы для получения бездефектных покрытий (уменьшается вероятность возникновения дугового разряда, возможна ионная очистка при больших напряжениях, уменьшается время ионной очистки). Наиболее эффективным методом предварительной очистки и обезжиривания поверхности является ультразвуковая очистка.

Очистка поверхности в данном технологическом процессе включает следующие этапы:

1) очистка и в обезжиривающем растворе на ультразвуковой установке;

2) промывка изделий в проточной воде;

3) обезвоживание поверхности спиртом (непосредственно перед загрузкой в камеру);

4) ионная очистка в среде аргона.

Директивный технологический процесс ионно-

плазменного упрочнения лопаток.

Маршрут:

1. Входной контроль.

2. Промывка, обезжиривание.

3. Сушка в сушильном шкафу.

4. Подготовка узлов и блоков установки к работе.

5. Ионная имплантация.

6. Нанесение покрытия TiN.

7. Контроль.

1. Входной контроль.

   1. Осмотреть лопатки. Забоины, риски (глубиной не более 0,2 мкм), заусенцы, налет подлежат исправлению.

2. Промывка, обезжиривание.

   1. Промыть лопатки в проточной горячей воде t60С и обезжирить. В ванне ультразвуковой в моющем растворе типа ”Юниклин 1223” приt60С.

   2. Промыть лопатки в проточной горячей воде.

   3. Протереть лопатки чистыми х/б салфетками бензином типа “Нефрас 80/100”.

3. Сушка в сушильном шкафу.

4. Подготовка узлов и блоков установки к работе.

4.1 Проверить испарители на отсутствие КЗ.

4.2 Проверить систему охлаждения испарителей и фланцев.

4.3 Пропылесосить испарители, камеру и оснастку пылесосом “Энергия”.

4. Протереть камеру и оснастку .

5. Ионная имплантация лопатки.

1. Откачать камеру до Р = 5 10^-5мм. рт. ст.

2. Включить вращательное Произвести запуск ионного источника Пинк на рабочем газе азоте (N)

3. Произвести обработку лопатки газом Nв течение 10 минут.

4. Отключить Пинк

6. Нанесение покрытия TiN.

1. Откачать вакуумную камеру до Р = 5 10^-5мм рт. ст.

2. Выставить на исп. № 1 I_д= 160 А;

№ 2 I_д= 160 А;

6.3. Включить вращательное движение лопатки: V_вп=max,V_вр= 24 об/мин.

5. Откачать камеру до Р = 5 10^-5мм рт. ст.

6. Включить ВВИП R_= 60 Ом,U_В= 600 В.

7. Включить воду на испарителях и крышках.

8. Включить испарители № 1 и № 2. Произвести очистку ионами Ti.

9. Произвести очистку: U_В= 600 В –1 мин.;U_В= 800 В – 1 мин. Выключить испарители № 1 и № 2.

10. Произвести осаждение Tiв течение 3 минут.

6.11 Подать азот через и.и. Пинк в камеру и произвести нанесение TiNв течение 110 минут.

6.12 Остудить лопатки в вакууме доt= 150С в течение 25 минут.

6.13 Произвести напуск воздуха в камеру.

6.14 Выгрузить лопатки в тару.

6.15 Снять образцы-свидетели и направить в лабораторию.

Примечание: в процессе нанесения покрытия контролировать

параметры: U_В=200 В

Р_{40 мин} = 410^-3 мм рт. ст.;

Р_{60 мин} = 510^-3 мм рт. ст.;

I_д1= 140 А;

I_д2= 160 А;

7. Контроль.

1. Визуально осмотреть лопатку на отсутствие механических повреждений.

2. Цвет по эталону.

3. Не допускается на упрочняемых зонах лопатки отслаивания, трещин, раковин и прижогов.

4. Проверка микро твердости на образце из ВТ – 6 Н_V501200 Мпа.

5. Произвести замер толщины покрытия TiNна образце ВТ – 67 мкм.

6. Контроль трещиностойкости и скалывания на изгибном образце из 12Х18Н10Т.

7. Проверить соответствие маркировки № лопатки и № садки на образце-свидетеле и на лопатках.