Разработка процессов нанесения защитных покрытий МАХ-материалами и интерметаллидами

АННОТАЦИЯ РАБОТ,

ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 4

«Разработка процессов нанесения защитных покрытий МАХ-материалами и интерметаллидами»

государственного контракта с Министерством образования и науки Российской Федерации от «01» декабря 2010 г. № 14.740.11.0821

Шифр заявки:	«2010-1.90»
Период выполнения этапа:	«01» января 2012 г. – «30» июня 2012 г.
Исполнитель:	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»
Цель работы:	Выполнение НИР должно обеспечивать достижение научных результатов мирового уровня в области разработки и получения методами СВС-компактирования и свободного СВС - сжатия новых авиационных материалов на основе интерметаллидов и МАХ-материалов для нанесения защитных покрытий на детали авиационных двигателей 5 и 6 поколения, подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов.

1.  Наименование разрабатываемой продукции

Результаты НИР ориентированы на создание основ технологического комплекса для получения методами СВС-компактирования и свободного СВС-сжатия новых авиационных материалов на основе интерметаллидов и МАХ-материалов для нанесения защитных покрытий на детали (лопатки и диски проточной части) авиационных двигателей 5 и 6 поколения.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции

2.1. Результаты работы на 4 этапе, в том числе: разработанные виды продукции (веществ / устройств / программных продуктов / технологий / методов и результатов исследований) с указанием их характеристик, полученных, в том числе, по результатам испытаний, оценка соответствия этих характеристик требованиям задания.

В результате выполненных работ на данном этапе были изучены кинетические зависимости эрозии анода и привеса катода при различных режимах ЭИЛ при использовании электродных материалов на основе МАХ-фазы: Ti2Al1,25C, Ti3AlC2, Ti3Al2C, Ti2Al1,5C и интерметаллидов NiAl.

Найдена оптимальная энергия электрического разряда при ЭИЛ, обусловленная минимальной возможной для эрозии анода (Wp = 0,02 Дж) и максимальная для предотвращения прижогов на поверхности обрабатываемых образцов (Wp = 0,4 Дж).

Разработана методика проведения измерения температуры нагрева образца непосредственно в зоне контакта электрода в процессе обработки. Установлено, что при легировании образцы нагреваются не более 40–90ºС.

Разработаны методом СВС-компактирования катоды и мишени для высокоскоростного ионно-плазменного магнетронного распыления, а также разработана специальная технологическая оснастка для закрепления полученных катодов. Составлено техническое задание на выполнение НИР «Разработка системы теплозащитного покрытия и технологии его нанесения для лопаток турбины двигателя РД33МК на межремонтный ресурс 1000 часов и для двигателя 5-го поколения».

Получены опытные партии электродных материалов на основе МАХ-фазы: Ti2Al1,25C, Ti3AlC2, Ti3Al2C, Ti2Al1,5C и интерметаллидов NiAl методом СВС-экструзии, которые представляют собой цилиндрические прямые стержни без осевых искривлений диаметром 1,5-2,0 мм и длиной 30-50 мм.

Получены защитные покрытия на жаропрочном никелевом сплаве ЭП 741НП до 100 мкм. Показано, что для каждого режимного параметра ЭИЛ существует предельное значения толщины наносимого покрытия в зависимости от количества проходов электродного материала. Наибольшая толщина наблюдается при режимах обработки Wp = 0,2–0,4 Дж.

Получены защитные покрытия с шероховатостью Ra = 6,4 мкм (для электродного материала Ti2Al1,5C) и Ra = 7,2 мкм (для электродного материала NiAl). Установлено, что с повышением энергии разряда шероховатость поверхности повышается. Максимальная шероховатость (Ra= 27,4) наблюдается при использовании электродного материала Ni-Al при Wp=0,1Дж.

Получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

1.  , , Поляков расчёта температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии горения-задержки. № , 6 апреля 2012.

2.  , , Поляков расчёта температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии прессования. № , 6 апреля 2012.

3.  , , Поляков расчёта температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии выдавливания. № , 6 апреля 2012.

2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.

Метод получения покрытий на основе алюминида никеля и МАХ - материалов из титана не имеет аналогов и обеспечивает лучшие экономические показатели по сравнению с существующими промышленными образцами по критериям цена/качество, цена/производительность. Предлагаемые подходы позволяют получать новые упрочняющие покрытия с шероховатостью поверхности – не ниже 7 класса по ГОСТ 2789-73 толщиной 10-200 мкм с увеличенной более чем в 2 раза износо-, коррозионно-, жаростойкостью.

2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.

Для достижения поставленных в проекте задач было принято решение комплексного подхода, сочетающего преимущества нескольких технологических решений и разработок им. » и УчРАН ИСМАН. Важнейшей особенностью, разработанной им. » технологии является возможность нанесения большого количества чередующихся нано-, микро - и макрослоев различного химического состава за один технологический цикл. Технология основана на высокоскоростном магнетронном распылении.

2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.

Программа ЭВМ для оптимизационных расчетов пресс-оснасток для СВС-компактирования – 3 шт.

1) Программа расчета температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии горения-задержки.

2) Программа расчета температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии прессования.

3) Программа расчета температурных полей в материале образца при СВС-экструзии на стадии выдавливания.

3. Области и масштабы использования полученных результатов

3.1. Области применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).

В настоящее время заинтересованность в приобретении и использовании интерметаллидов и МАХ-материалов и защитных покрытий из них на детали авиационных двигателей 5 и 6 поколения уже имеет ряд предприятий авиационной отрасли промышленности. К таким предприятиям относится им. » (Москва), где уже на сегодняшний день возможно применение разработанных интерметаллидов и МАХ-материалов для нанесения защитных покрытий на лопатки ротора турбины 1 ступени двигателя РД33 МК, дефлектора лопаток, уплотнительные кольца, фиксаторы, втулки и т. д. Среди основных российских потребителей также можно назвать Уфимское моторостроительное производственное объединение (УМПО, Уфа), Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ, Москва), завод «Комсомолец» им. Н. С. Артёмова» и др.

3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.

Результаты НИР будут внедрены в образовательный процесс студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 150100 «Материаловедение и технология новых материалов», по специальности 150601 «Материаловедение и технологии новых материалов» и по направлению подготовки специалистов 150500 «Материаловедение, технологии материалов и покрытий» по специальности 150502 «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов».

3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.

В процессе выполнения НИР будут выполнены заявленные значения программных индикаторов и показателей согласно техническому заданию.

4. Выводы

1.  Изучены кинетические зависимости эрозии анода (mа) и привеса катода (mк) при различных режимах ЭИЛ при использовании электродных материалов на основе МАХ-фазы: Ti2Al1,25C, Ti3AlC2, Ti3Al2C, Ti2Al1,5C и интерметаллидов NiAl. Найдена оптимальная энергия электрического разряда при ЭИЛ, обусловленная минимальной возможной для эрозии анода (Wp = 0,02 Дж) и максимальная для предотвращения прижогов на поверхности обрабатываемых образцов (Wp = 0,4 Дж). Установлено, что ход кривых, имеет классический вид, т. е. на зависимости суммарного привеса катода от времени обработки наблюдается максимум, что обуславливает ограничение толщины формируемого защитного слоя.

2.  Установлено, что в процессе ЭИЛ коэффициент переноса материала электрода на подложку зависит от режимных параметров процесса. Для электродных материалов Ti3Al2C, Ti2Al1,5C и Ti2Al1,25C после 20-ой секунды обработки коэффициент переноса материала стабилизируется. Среднее значение kэ = 25-55%. Максимальным коэффициентом переноса материала обладает интерметаллидный материал NiAl, который составляет 80-85%.

3.  Разработана методика проведения измерения температуры нагрева образца непосредственно в зоне контакта электрода в процессе обработки. Установлено, что при легировании образцы нагреваются не более 40–90ºС.

4.  Разработаны методом СВС-компактирования катоды и мишени для высокоскоростного ионно-плазменного магнетронного распыления, а также разработана специальная технологическая оснастка для закрепления полученных катодов. Составлено техническое задание на выполнение НИР «Разработка системы теплозащитного покрытия и технологии его нанесения для лопаток турбины двигателя РД33МК на межремонтный ресурс 1000 часов и для двигателя 5-го поколения».

5.  Получены опытные партии электродных материалов на основе МАХ-фазы: Ti2Al1,25C, Ti3AlC2, Ti3Al2C, Ti2Al1,5C и интерметаллидов NiAl методом СВС-экструзии, которые представляют собой цилиндрические прямые стержни без осевых искривлений диаметром 1,5-2,0 мм и длиной 30-50 мм.

6.  Получены защитные покрытия на жаропрочном никелевом сплаве ЭП 741НП до 100 мкм. Показано, что для каждого режимного параметра ЭИЛ существует предельное значения толщины наносимого покрытия в зависимости от количества проходов электродного материала. Наибольшая толщина наблюдается при режимах обработки Wp = 0,2–0,4 Дж.

7.  Установлено, что скорость перемещения электродного материала существенно влияет на сплошность наносимого покрытия. Для режимов обработки (Wp =0,01 Дж) скорость перемещения должна быть не выше 3–5 мм/с. Для режимов (Wp = 0,1–0,24 Дж) оптимальная скорость составляет 5-8 мм/с. Для режимов (Wp = 0,4 Дж) возможно нанесение сплошного покрытия на скорости до 10мм/с. Показано, что используемые электродные материалы и режимные параметры, позволяют получить защитное покрытие сплошностью 90–100 %.

8.  Получены защитные покрытия с шероховатостью Ra = 6,4 мкм (для электродного материала Ti2Al1,5C) и Ra = 7,2 мкм (для электродного материала NiAl). Установлено, что с повышением энергии разряда шероховатость поверхности повышается. Максимальная шероховатость (Ra= 27,4) наблюдается при использовании электродного материала Ni-Al при Wp=0,1Дж.

Ректор ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

_________________

М. П.

Руководитель работ по проекту

_________________

«___»  ___________ 2012 г.