Thermal barrier coatings for precision stamping heat-resistant steels

Full Text

Введение Применение и выбор эффективных смазочных материалов и теплозащитных покрытий (ТЗП) для процессов горячей шамповки является актуальной проблемой, решение которой позволяет значительно повысить эффективность технологических процессов [7, 8]. При нагреве в воздушной атмосфере высоколегированных сплавов для штамовки на поверхности заготовок образуется окалина, а также происходит окисление по границам зерен и обеднение поверхности легирующими элементами. Дефектный слой состоит из зоны окислов металла, зоны окисленных границ зерен и зоны с измененным химическим составом. Глубина дефектного слоя оказывает большое влияние на величину назначаемого припуска поковок, поэтому теплозащитные покрытия не должны вступать в реакцию с основным металлом в процессе нагрева, однако должны обеспечивать снижение припуска 1. Типовой технологический процесс штамповки лопаток компрессора газотурбинных двигателей (ГТД) включает: нагрев заготовки в печи с обычной атмосферой, штамповку, удаление дефектного слоя с поверхности. Исходя из этого масса заготовки рассчитывается с учетом потерь на угар – 1,2%. В качестве теплозащитных покрытий хорошо подходят защитные эмали, суспензии стекол или расплав солей хлористого бария. Нагрев заготовок в расплаве солей хлористого бария сопровождается недостатками, которые были исследованы в работе 2. В процессе горячей штамповки деталей небольшой толщины, например, лопаток из жаропрочных сталей и сплавов, возникают значительные силы трения, которые оказывают влияние на износ штамповой оснастки. Эмали и стеклянные суспензии, которые наносятся на заготовку, имеют две функции: теплозащитную и смазочную. Как смазка штампов они проявляют себя только в жидком состоянии. При температурах штампов 200…300°C эмали или суспензии стекла в состоянии отвердения работают как абразив. Смазочные материалы на основе графитовых суспензий создают условия граничного трения на контактной поверхности «заготовка-штамп» и позволяют снизить трение и износ [3]. Экспериментальная часть На ОАО «ММП им. В.В. Чернышева» (г. Москва) совместно со специалистами компании «Хенкель-Рус» (г. Москва) и ООО «Коллоидно-графитовые препараты» (г. Воскресенск) были проведены исследования теплозащитных покрытий (ТПЗ) Deltaglaze FB-651 и ОВТ-1 (ТУ2113-141-05015182-2002). Покрытие ОВТ-1 представляет собой водорастворимую суспензию на основе коллоидного графита и тугоплавких металлов. Покрытие Deltaglaze FB-651 – водорастворимая суспензия на основе боратного стекла. В таблице 1 приведены основные свойства покрытий. Исследования проводились в производственных условиях на заготовках лопаток компрессора ГТД из жаростойкой стали ЭП866 (таблица 2). Таблица 1 Физические свойства покрытий Параметры Покрытие FB-651 ОВТ-1 Общее содержание твердого остатка, % 48,0 29,0 Вязкость, [Па с] 8,5 н.д. Разбавитель H2O H2O Таблица 2 Химичесий состав ЭП866 C Cr Co Ni Mo W V Nb 0,13- 0,18 15,0-16,5 4,5- 5,5 1,7- 2,1 1,35- 1,65 0,65- 1,0 0,18- 0,30 0,2- 0,35 Покрытия наносились методом окунания предварительно обезжиренных заготовок. Далее проводили сушку на поддоне при температуре 20+5 °С (рисунок 1а). Толщина покрытия на заготовках для двух типов покрытий различалась и составляла 0,035…0,05 мм для Deltaglaze FB-651 и 0,05…0,08 мм для ОВТ-1. Толщина покрытия выбиралась исходя из рекомендаций производителей ТЗП. За счет изменения вязкости суспензий разбавлением водой достигалась нужная консистенция. Нагрев заготовок перед операцией «штамповка» осущестлялся в электропечи карусельного типа без защитной атмосферы в соответствии с действующим на предприятии технологическим процессом при температуре 1150±10 °С и выдержкой до 25…30 минут. Штамповка выполнялась на прессе КГШП силой 10 МН, а также температурой поверхности штампов 135…150ºС (до нанесения смазки) и 115…130ºС (после нанесения смазки). Контроль температуры штампов проводили с помощью инфракрасного пирометра. Смазка штампов осуществлялась коллоидно-графитовым смазочным материалом Aquadag 18% («Хенкель Рус») при помощи ручного распылительного пистолета DAG 087F. Степень разбавления концентрата водой составляла 1 к 3. В таблице 3 приведены свойства Aquadag 18%. Таблица 3 Физические свойства Aquadag 18% Параметры Показатели Содержание сухого остатка,% 18,0 Содержание золы,% ≤ 0,15 Водородный показатель, pH 11,0 Размеры частиц графита, мкм ≤ 1…5 а) б) Рисунок 1. Лопатки до и после штамповки с покрытием Deltaglaze FB-651 (а – заготовки лопаток; б – поковки лопаток) После штамповки и пескоструйной обработки лопаток с покрытием Deltaglaze FB-651 на поверхности пера визуально наблюдали дефекты в виде вмятин (рисунок 2а). Возможная причина такого дефекта – недостаточная температура нагрева штампов перед штамповкой. Одновременно отмечено, что сила деформирования снижается, о чем косвенно можно судить по увеличению облоя (рисунок 1б). На поверхности лопаток после штамповки с покрытием ОВТ-1 таких дефектов выявлено не было (рисунок 2б). а) б) Рисунок 2. Наличие дефектов на лопатках после штамповки (а – лопатка с покрытием Deltaglaze FB-651; б – лопатка с покрытием ОВТ-1) Исследование микроструктуры Исследование микроструктуры и замеры глубины обезуглероженного слоя лопаток, отштампованных с покрытиями, проведены на оптическом микроскопе Zeiss Axiovert 40 MAT. Полученные результаты сравнивали с результатами исследований лопаток, отштампованных по серийной технологии: нагрев заготовок в расплаве солей хлористого бария BaCl2 и последующая штамповка. В таблице 4 и на рисунке 3 показаны результаты исследований. Полученная микроструктура основного материала – мартенсит, соответствует эталонам допустимых микроструктур для материала поковок. Таблица 4 Глубина обезглероженного слоя Наименование Глубина обезуглероженного слоя, мм покрытие Deltaglaze FB 651 нет покрытие ОВТ-1 нет покрытие – расплав BaCl2 0,027 Определение значения массы обезуглероженного слоя Величина массы обезуглероженного слоя определялась путем измерения потери массы лопаток после штамповки и пескоструйной обработки. Заготовки с ТЗП взвешивали после нанесения покрытия и сушки, а также после штамповки и дробеструйной обработки (таблица 5). а) б) Риунок 3. Микроструктура лопаток после штамповки (а – с обезуглероженным слоем при нагреве заготовки в расплаве BaCl2; б – без обезуглероженного слоя при нагреве с ТЗП Deltaglaze FB 651) Таблица 5 Потеря массы заготовки покрытие толщина покрытия, мкм масса заготовки, г потеря массы, % исходная, без покрытия исходная, с покрытием после штамповки и пескоструйной обработки Deltaglaze FB 651 35…50 58,3821 58,8857 58,2551 0,22 ОВТ-1 50…80 58,3822 58.5273 58.1090 0,46 расплав BaCl2 н.д. 58,3819 58,3891 57,790 1,01 Выводы По результатам проведенных исследований были сделаны следующие обобщения и выводы: 1. Состав ТЗП влияет на качество поверхности заготовок после штамповки, при этом толщина слоя ТЗП определяется исходя из степени разбавления концентрата. 2. Толщина слоя покрытия и его состав также влияют на потерю массы заготовок при нагреве. 3. Коллоидно-графитовый смазочный материал для смазки штампов в комплексе с ТЗП способен обеспечить стабильность выполнения операции горячей объемной штамповки. 4. ТЗП на основе коллоидного графита и тугоплавких металлов целесообразно использовать при горячей штамповке с температурой штампа в пределах 200...250°C. 5. Комплексное исследование и обоснованный выбор теплозащитных покрытий (ТЗП) для нагрева заготовок и смазочных материалов для смазки штампов дает возможность обеспечения технических, экономических и экологических требований технологического процесса.

About the authors

A. N Petrov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: alexander_petr@mail.ru
Ph.D.

A. P Soljakov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files