Розробка складу робочої суміші газів для підвищення якості катодів на основі нікелю для іонно-плазмового напилення

Abstract

UK: Постановка проблеми. Сучасні енергетичні установки та авіадвигуни працюють за підвищених температур. Якщо в перших газотурбінних двигунах (ГТД) робочі температури матеріалу становили від 600 до 900 °С, то в подальшому значно підвищилися, досягнувши наразі 1 700 °С.Для забезпечення роботи за високих температур застосовують жаростійкі покриття на основі нікелю. Ресурс лопаток у першу чергу залежить від якісних показників нанесених покриттів (рівномірності, відсутності пор, включень, хімічної однорідності). Якість нанесення покриттів визначається режимами нанесення і якістю самого катода. Як правило, катоди являють собою сплави, що наносяться зі спеціальною геометрією. Існує кілька технологій виготовлення катодів, кожна з яких має свої переваги і недоліки. Один із методів − пошарове формування сплавом зливків для виготовлення катодів у мідному водоохолоджуваному кристалізаторі із застосуванням електрода, що плавиться. Мета дослідження − підвищення якості катодів на основі нікелю (Ni − Cr − Al − Y) шляхом удосконалення технологічних режимів виплавки зливків. Завдання − зменшення загальної кількості дефектів у зливках у вигляді несуцільностей, пор, непроплавів, підвищення гомогенності структури і хімічного складу. Методика.Вдосконалено обладнання, зокрема, вакуумно-дугова установка була доукомплектована рампою і балоном із гелієм. Отримані пробні зразки у вигляді «шайб» (діаметром 127 мм і товщиною 40 мм), які використовувалися для дослідження мікроструктури і хімічного складу. Відпрацьовано режими переплаву. Дослідження хімічного складу проводили із застосуванням багатоцільового растрового електронного мікроскопа РЕМ 106І, оснащеного системою мікроаналізу. Наукова новизна. Визначено залежність впливу концентрації суміші газів (аргон − гелій), що дозволило отримати оптимальне співвідношення захисних газів. При співвідношенні газів 70/30 % отримано максимально якісні катоди, на яких проводили подальші дослідження. Висновки. На підставі результатів досліджень впливу концентрації суміші газів на структуру та склад катодів установлено технологічні режими плавлення, що дозволило поліпшити показники якості та економічні показники досліджуваних катодів. Це зменшить кількість браку катодів, поліпшить працездатність деталей з покриттями та ресурс авіаційних двигунів у цілому.

RU: Постановка проблемы. Современные энергетические установки и авиадвигатели работают при повышенных температурах. Если в первых газотурбинных двигателях (ГТД) робочая температура материала составляла от 600 до 900 °С, то в последующем значительно увеличилась, достигнув в данное время 1 700 °С. Для обеспечения работы при высоких температурах применяют жаростойкие покрытия на основе никеля. Ресурс лопаток в первую очередь зависит от качественных показателей нанесенных покрытий (равномерности, отсутствия пор, включений, химической однородности). Качество нанесения покрытий определяется режимами нанесения и качеством самого катода. Как правило, катоды представляют собой сплавы, которые наносятся со специальной геометрией. Существует несколько технологий изготовления катодов, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Один из методов – послойное сплавление слитков для изготовления катодов в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе с применением неплавящегося электрода. Цель исследования − повышение качества катодов на основе никеля (Ni − Cr − Al – Y) путем усовершенствования технологических режимов выплавки слитков. Задача − уменьшение общего количества дефектов в слитках в виде несплошностей, пор, непроплавов, повышение гомогенности структуры и химического состава. Методика. Усовершенствовано оборудование, в частности, вакуумно-дуговая установка, за счет доукомплектации рампой и баллоном с гелием. Получены пробные образцы в виде «шайб» (диаметром 127 мм и толщиной 40 мм), которые использовались для исследования микроструктуры и химического состава. Отработаны режимы переплава. Исследования химического состава проводили с применением многоцелевого растрового электронного микроскопа РЕМ 106І, оснащенного системой микроанализа. Научная новизна. Определена зависимость влияния концентрации газов (аргон − гелий) на качественные показатели слитков для заготовок катодов. При соотношении газов 70/30 % получены наиболее качественные слитки для катодов. Выводы. На основании результатов исследований влияния концентрации смеси газов на структуру и состав катодов установлены технологические режимы плавления, что позволило улучшить показатели качества и экономические показатели исследуемых катодов. Это уменьшит количество брака катодов, улучшит работоспособность деталей, которые содержат покрытия, и ресурс авиационных двигателей в целом.

EN: Modern power plants and aero-engines work at enhanceable temperatures that may reach over 1 700 °С. Heat-resistant coatings on the basis of nickel are applied to provide the work at high temperatures. The service life of shoulder-blades, first of all, depends on the quality factors of the coatings (evenness, absence of pores, inclusions, chemical homogeneity). Quality of coating is determined by the application process and quality of cathode. As a rule, cathodes are alloys that are spread with the special geometry. There are a few technologies of making cathodes, with their advantages and defects. One of the methods is ingot melting layer by layer to produce cathodes in copper water-cooled mold with the use of unfluxible electrode. Purpose of research. To enhance the quality of nickel-based cathodes (Ni − Cr − Al − Y) by the improvement of technological modes of ingot melting. The tasks are set to reduce defects such as pores, to increase homogenity of structure and chemical composition. Methodology. The equipment, namely vacuum arc unit, was improved with helium cylinder. Test samples in a way of "pucks" (127 mm in diameter and 40-mm thick) were obtained to study the microstructure and chemical composition. The modes of remelting are worked through. Research of chemical composition was conducted with the use of SEM of РЕМ 106І equipped with microanalysis system. Scientific novelty. Optimal correlation of protective gases on ingot quality factors for further cathode production was identified. At gas correlation of 70/30 % high quality ingots were obtained. Conclusions. Based on the results of research on the effect of the concentration of gas mixture on the structure and composition of cathodes, technological melting conditions were established, which made it possible to improve the quality indicators and economic indicators of the studied cathodes. This will positively affect the number of cathode defects, serviceability of parts that contain coatings and the service life of aircraft engines in general.