Новый процесс производства покрытий для авиационного, энергетического и химического машиностроения предложили ученые ВолгГТУ. По их словам, применение метода сварки взрывом в сочетании с технологией погружения в расплав позволяет создавать покрытия большой площади с многослойной структурой, которые защищают поверхность металлических сплавов от воздействия высоких температур и значительно продлевают срок службы техники. Результаты исследования опубликованы в Materials and Manufacturing Processes.
Функционально-градиентное покрытие защищает детали, изготовленные, например, из титановых сплавов, от воздействия агрессивной среды в процессе длительной эксплуатации при повышенных температурах. Наружный слой покрытия состоит из алюминидов никеля и хрома, обеспечивающих высокую жаростойкость. Барьерный подслой (хромоникелевый сплав) препятствует взаимному проникновению материалов наружного слоя и защищаемого титанового сплава, а также способствует их прочному соединению между собой.Такие покрытия могут быть использованы для защиты литых и штампованных лопаток компрессора высокого давления и турбины низкого давления, а также деталей и узлов камер сгорания, изготовленных из титановых сплавов и длительно работающих при температурах до 800°С.
Ученые Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) предложили новый процесс производства функционально-градиентных покрытий на поверхности титановых изделий. Комплексная технология включает сварку взрывом и жидкостное алитирование. Исследователи отметили, что разработка позволяет в сотни раз повысить срок службы дорогостоящей техники в экстремальных условиях (при высоких температурах в агрессивных средах и при эрозионных воздействиях) по сравнению с промышленно выпускаемыми составами, наносимыми непосредственно на титан.
«
«На первом этапе на поверхность титана (или сплавов на его основе) сваркой взрывом наносится барьерный слой из хромоникелевого сплава, на втором – производится низкотемпературное насыщение алюминием полученной заготовки погружением в расплав (алитирование), на третьем – посттермообработка для создания градиентной структуры», – рассказал доцент кафедры материаловедения и композиционных материалов ВолгГТУ Артем Богданов.
По его словам, применение на первом этапе сварки взрывом позволяет получать композиционные заготовки, практически не ограниченные по габаритам (до нескольких десятков квадратных метров). Пластичность используемых слоев дает возможность формовать впоследствии обработкой давлением (например, штамповкой) заготовки требуемых форм и размеров.
Специалисты отметили, что для оптимизации предложенной технологии требовался учет марки титанового сплава, из которого изготовлено защищаемое изделие, а именно его исходной твердости.
По словам ученых, экспериментальные исследования процесса сварки взрывом титановых пластин различной начальной твердости с хромоникелевым сплавом показали, что увеличение начальной твердости титанового сплава при сварке на одинаковых режимах приводит к повышению прочности соединения. В результате были подобраны оптимальные параметры сварки взрывом для различных видов титановых сплавов.
Кроме того, спецификой свариваемых взрывом соединений является образование на границе слоев химической микронеоднородности в виде так называемых участков локального оплавления. Они могут в значительной степени влиять на работоспособность сварного соединения и, как правило, снижать прочность композита, объяснили исследователи.
«Нами впервые был установлен состав и структура участков локального оплавления на границе титана и нихрома, показана возможность образования их аморфной структуры, что невозможно в обычных условиях кристаллизации. Это вызвано высокой скоростью охлаждения структур на границе свариваемых взрывом соединений. Компьютерное моделирование с помощью цифровых двойников показало, что значения скорости охлаждения могут достигать 107–1010 K/с (то есть десятки миллиардов градусов в секунду)», – объяснил доцент кафедры материаловедения и композиционных материалов ВолгГТУ Виталий Кулевич.
Полученные экспериментальные данные, по словам специалистов, позволили управлять процессом сварки и обеспечить получение прочного соединения разнородных слоев с минимальным уровнем химической микронеоднородности.
Ученые подчеркнули, что традиционные технологии нанесения покрытий, например различные варианты напыления, как правило, не обеспечивают высокой прочности сцепления и плотности элементов покрытия, исключающих проникновение высокотемпературной агрессивной среды к основному материалу детали.
В дальнейшем специалисты ВолгГТУ планируют оптимизировать процессы жидкостного алитирования сваренных взрывом заготовок и оценить функциональные свойства покрытий, в первую очередь их жаро- и износостойкость.
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 21-79-10246 «Разработка научных основ формирования структуры и свойств», создаваемых с использованием энергии взрыва слоистых функционально-градиентных покрытий на основе легированных алюминидов никеля и хрома».
