Покрытия различного назначения для металлических материалов

Допущ ено Учебным объединением высш их

учебных заведений РФ по образованию

в области материаловедения,
технологии

материалов и покрытий в качестве

учебного пособия для студентов высш их

учебных заведений,
обучаю щ ихся

по направлению подготовки магистров

2
2
.
0
3
.
0
1
«
М атериаловедение и технологии

материалов»

А.А.И льин
Г.Б.Строганов
С.
В.Скворцова
П окрытия
различного назначения
для м еталлических
м а те р и а л о в

2019

УДК 629.78(075.8)
ББК 39.66

И46

Р е ц е н з е н т ы:

доктора технических наук, профессора Л.М. Петров, И.С. Полькин

Ильин, А.А.

Покрытия различного назначения для металлических

материалов:учеб. пособие/А.А.Ильин,Г.Б.Строганов,
С.В. Скворцова. – М. : АльфаМ : ИНФРАМ, 2019. –
144 с. – (Современные технологии : Магистратура).

ISBN 9785982813558 («АльфаМ»)
ISBN 9785160069449 («ИНФРАМ»)

Приводятся теоретические и технологические аспекты нанесения защитных упрочняющих и функциональных покрытий, в том числе образованных наноструктурными материалами. Рассматриваются покрытия, наносимые в вакууме, в открытой атмосфере с использованием плазмы, электронного и лазерного лучей, химикотермической обработки и других
эффективных методов.

Для студентов и аспирантов технических университетов. Представляет

интерес для преподавателей и инженернотехнических работников, специализирующихся в области разработки и применения новых эффективных технологических процессов и материалов.

УДК 629.78(075.8)

ББК 39.66

© Ильин А.А., Строганов Г.Б.,

Скворцова С.В., 2013

© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2013

И46

ISBN 9785982813558 («АльфаМ»)
ISBN 9785160069449 («ИНФРАМ»)

Введение

Повышение надежности и долговечности работы машин, механизмов и металлоконструкций за счет уменьшения интенсивности их изнашивания и защиты металлов от
коррозии связано с проблемами воздействия различных сред и
веществ, температуры, давления, радиации, совместимости
материалов и др. В полной мере решить эти проблемы современного машиностроения с помощью объемного легирования
невозможно.
Использование упрочняющих и защитных покрытий существенно повышает качество продукции в машиностроении и
строительстве, обеспечивая надежную работу узлов и деталей в
тяжелых условиях эксплуатации оборудования. Применение
защитных и упрочняющих покрытий – приоритетное направление в ресурсосберегающей технологии, поскольку истощение или экономия природных ресурсов в большой степени определяется проблемами износа и коррозии оборудования и металлоконструкций. Использование машин и механизмов с
покрытием позволяет снизить материальные и энергетические
затраты на эксплуатацию машин, уменьшает расход дорогостоящих конструкционных материалов.
Однако в некоторых отраслях промышленности решение
этих вопросов определяет саму возможность прогресса. Это
прежде всего энергетическое машиностроение. Так, главной
линией развития современной газотурбинной техники является повышение рабочих температур, что непосредственно связано с разработкой новых и совершенствованием применяемых жаростойких покрытий для защиты от высокотемпературной газовой коррозии теплонапряженных деталей и элементов
конструкций широкого номенклатурного перечня. Возможности улучшения параметров конструкции, создания техники
нового поколения за счет совершенствования традиционно
применяемых конструкционных материалов в значительной
степени исчерпаны, хотя в этом направлении продолжаются
активные исследования.

Современное двигателестроение развивается в направлении уменьшения удельной массы конструкции, увеличения
температуры газа перед турбиной до 1700–1800 °C, повышения
экономичности, надежности и долговечности газотурбинных
двигателей (ГТД). Наиболее теплонагруженными элементами
турбины авиационных ГТД являются рабочие и сопловые лопатки, от материала и конструкции которых зависит допустимая температура газа перед турбиной, а их долговечность в значительной мере определяет надежность и ресурс двигателя [26].
Возрастающая температура газового потока в двигателях и, как
следствие, повышение рабочей температуры на поверхности
охлаждаемых лопаток до 1000–1200 °С в современных ГТД и
до 1200–1800 °С в двигателях следующих поколений, а также
необходимость увеличения надежности и рабочего ресурса
двигателей настоятельно потребовали применения более эффективной защиты теплонагруженных деталей и узлов ГТД от
высокотемпературной газовой коррозии. В современных ГТД
лопатки турбин защищают жаростойкими покрытиями, предохраняющими поверхность от высокотемпературного окисления, эрозии и разупрочнения основного материала. В процессе работы защищенные покрытием лопатки турбин взаимодействуют
с
высокотемпературным
скоростным
газовым
потоком через поверхностные слои покрытий, подверженных
наиболее интенсивному повреждению в процессе эксплуатации. В покрытиях образуются термоусталостные трещины,
сколы, происходят эрозионный износ и внутреннее окисление, снижается концентрация защитных элементов (прежде
всего алюминия) и количество фазы Ni3Al, ответственной за
жаростойкость, изменяется структура покрытий, образуются
оксиды с пониженными защитными свойствами. В покрытиях
нередко возникают поры, формируются слои, обедненные легирующими элементами (в том числе на внутренней поверхности деталей). Изза неоднородности температурного поля на
поверхности лопатки стабильность фазы существенно различается. Например, в зонах, нагретых до 1070–1100 °С,
уменьшение количества фазы в поверхностном слое до 20 %

6
Покрытия различного назначения для металлических материалов

достигается за 10–20 ч непрерывного теплового воздействия, а
на участках, нагретых до 1000 °С, – за 280–300 ч.
Доля дефектов деталей в двигателях, приходящаяся на турбину, достаточно велика, причем значительная их часть обнаруживается на лопатках первой ступени ротора турбины.
В процессе эксплуатации авиадвигателей отбраковывается до
28 % рабочих лопаток. Срок службы отечественных жаростойких покрытий на рабочих лопатках первой ступени турбины
ГТД, например двигателя АЛ31Ф, определяется степенью допустимой деформации в покрытии и временем до образования
первых микротрещин. Эти факторы могут существенно снизить ресурс и надежность работы лопаток, даже если статическая жаростойкость покрытий обеспечивает эффективную защиту от химического разрушения в газовой среде.
В решении проблемы создания эффективных защитных
покрытий многое зависит от технологии. Так, с помощью технологических приемов снижения концентрации алюминия в
слое покрытия с одновременным уменьшением его толщины
до 0,01–0,02 мм можно увеличить срок службы покрытия, получаемого алитированием в порошке ферроалюминия, до 300 ч.
В этом случае срок службы покрытия контролируется коррозионноэрозионным повреждением наиболее горячих участков
пера лопаток.
Другим видом оборудования, где износостойкость имеет
определяющее значение, является нефтепромысловое оборудование. Оно эксплуатируется в наиболее тяжелых условиях,
основные из которых следующие:
эксплуатация на открытом воздухе при температуре от –50
до +50 °С;
повышенные вибрационные и динамические нагрузки, гидроабразивный износ, агрессивные среды, включая сероводород и
кислоту;
высокие давления (до 105 МПа);
ограниченные возможности для качественного профилактического обслуживания.
Повышенная надежность этого оборудования наряду с
конструкторскими решениями во многом должна обеспечиВведение
7

ваться применением современных материалов и технологий
изготовления, включая нанесение упрочняющих и защитных
покрытий. В промышленности применяют разнообразные методы получения защитных покрытий на конструкционных материалах с различной целенаправленностью и степенью технологического освоения.
Известно о существовании влияния дисперсности вещества на характер протекания физических и химических процессов, технические свойства материалов. Например, наноматериалы отличаются исключительно высокой диффузионной
подвижностью атомов, на несколько порядков превосходящей
диффузию и другие свойства обычных кристаллических материалов. К нанокристаллическим материалам относятся металлы, сплавы, керамики или композиты, содержащие нанокристаллические, квазикристаллические и аморфные фазы,
структурные элементы которых имеют размеры в пределах
1–100 мм [20]. При использовании наноструктурных материалов резко улучшаются свойства покрытий.
Исследования в области создания эффективных покрытий
включают в себя:
изучение явлений, происходящих при формировании покрытий, наносимых химикотермическими, газотермическими и
вакуумными методами, с целью разработки способа гибкого
управления структурой и свойствами наносимых слоев, т.е. покрытий с заданными характеристиками;
развитие комбинированных методов получения покрытий,
объединяющих технику напыления с лазерной, термической и
химикотермической обработкой.
В учебном пособии рассмотрены теоретические и технологические аспекты нанесения эффективных покрытий в вакууме, в открытой атмосфере с использованием плазмы, электронного и лазерного луча, химикотермической обработки и
других новейших достижений химии и физики.
Авторы выражают глубокую благодарность профессорам
И.С. Полькину и Л.М. Петрову за ценные замечания и предложения, сделанные при подготовке рукописи к изданию.

8
Покрытия различного назначения для металлических материалов

Наноструктурные
покрытия

В современной научной литературе под нанотехнологией принято понимать способность целенаправленно
применять и эффективно использовать ультрадисперсные материалы, зерна и структурные элементы которых имеют размеры 10–9 м, т.е. от 1 до 100 атомных диаметров. Это позволяет
глубже понимать значение структурных образований при
сплавообразовании (молекулярных классов и материалов со
смешанной структурой, состоящей из аморфных, нанокристаллических или квазикристаллических фаз).
Нанообъект – дискретная часть материи или, наоборот, ее локальноеотсутствие(пустоты,поры),размеркоторойхотябыводномизмерениинаходитсявнанодиапазоне(неболее 100нм).К нанообъектам могут быть отнесены объекты, имеющие четкие пространственные границы и доступные для прямого наблюдения
методами электронной и зондовой сканирующей микроскопии
(наночастицы, нанопластины, наностержни или нанотрубки,
нанопоры, нанопленки), а также материалы, получаемые быстрой закалкой, компактированием нанопорошков, интенсивной
деформацией поликристаллов и отжигом аморфных сплавов [20,
24,34].Поднанотехнологией понимаетсясовокупностьметодови
приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, содержащие компоненты размером менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие
осуществлять
их
интеграцию
в
полноценно
функционирующие системы большего масштаба.
Наночастица, как структурная единица новых материалов, является носителем необычных свойств. Сюда следует
отнести сверхпластичность, повышенные прочность, твердость, электрическое сопротивление, коррозионную износостойкость, пониженные модуль упругости и теплопроводность. Наноструктурные материалы перспективны как конструкционные и функциональные материалы: электрические,

магнитные, сверхпроводниковые, каталитические и др. [2, 14,
23, 35, 51, 54].
По предложению Г. Глейтора [59] наномерные материалы
разделены на три категории.
К первой категории относятся материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы и нанесены на подложку или внедрены в матрицу. Материалы этой категории, получаемые методами осаждения и
конденсации, используются в полупроводниковой технике и
как катализаторы.
Вторая категория включает материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем на
массивном материале. Для получения такого слоя используются различные методы, например быстрая закалка, ионная имплантация, лазерная обработка и техническое напыление. Такие свойства поверхности, как коррозионная стойкость, твердость и износостойкость, значительно улучшаются за счет
образования в них наноструктуры.
Третью категорию представляют массивные материалы
с наноструктурой, которые в отличие от материалов первой категории являются микроструктурно неоднородными: стекла,
гели, пересыщенные твердые растворы и имплантированные
материалы (полученные, например, бомбардировкой ионами).
Наиболее часто их получают с помощью быстрой закалки.
Рассмотрим материалы второй категории. Термическое напыление наноструктурных покрытий представляет собой перспективное направление, позволяющее использовать уникальные механические, физикохимические и трибологические
свойства наноструктурных материалов (высокие прочность,
ударная вязкость, коррозионная и износостойкость.
С увеличением удельной площади границы зерен мелкозернистых материалов количество примесей на единицу площади границы уменьшается по сравнению с крупнозернистым
материалом того же состава при той же объемной концентрации примесей. При этом увеличивается дисперсность поверхности наноструктуры и благодаря более чистой поверхности
зерен повышается коррозионная стойкость и уменьшается

10
Покрытия различного назначения для металлических материалов