Классификация методов нанесения покрытий на поверхность конструкционных материалов
Покрытия на деталях, работающих при высоких температурах, могут иметь следующее назначение:
1) ограничение процессов окисления, коррозии или диффузии, развивающихся на поверхности изделия (покрытия, уменьшающие скорость окисления основного материала, называют жароупорными или жаростойкими, а покрытия, уменьшающие скорость коррозии, — коррозионностойкими);
2) повышение стойкости деталей против эрозии или истирания (износоустойчивые покрытия);
3) улучшение герметичности поверхностных слоев изделия (герметичные покрытия);
4) изменение электрических свойств изделия (электроизоляционные и электропроводящие покрытия);
5) увеличение электронной эмиссии (эмиссионные покрытия);
6) изменение теплопроводности, а также свойств изделия, связанных с излучением или поглощением тепла (тепловые покрытия), и защита изделия от интенсивного нагрева (теплоизоляционные и абляционные покрытия).
В качестве материалов для покрытий используют металлы, оксиды, эмали, интерметаллические соединения, керметы, карбиды, бориды и др. Однослойные покрытия применяют, если выбранный для покрытия материал обладает необходимым сочетанием свойств. Если один материал не удовлетворяет всем требованиям, создают сложные, комбинированные покрытия, состоящие из нескольких слоев разных веществ. Промежуточные слои в таких покрытиях предназначаются для улучшения сцепляемости между покрытием и изделием, для предупреждения диффузии между ними, для улучшения основных свойств покрытия и т. д.
К высокотемпературным защитным покрытиям относят покрытия, работающие при 1200—4000 °С. Этот температурный интервал условно подразделяют на два: 1200—1650 и 1650—4000 °С, что удобно с практической точки зрения. Жаропрочные покрытия на сплавах молибдена или ниобия, работающие при 1200—1650 °С, используют, например, для деталей турбореактивных двигателей, орбитальных ракет, прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Для защиты от окисления деталей ракетных двигателей, носового конуса возвращающихся космических объектов используют покрытия, работающие при 1650—4000 °С.
Покрытия в ракетной технике работают непродолжительное время — минуты, редко десятки минут, тогда как покрытия на деталях атомных реакторов, металлургических печей, МГД-генераторов должны работать сотни и даже тысячи часов. Таким образом, можно выделить два сорта покрытий: обеспечивающие кратковременную защиту и имеющие длительный срок службы.
Методы нанесения покрытий на изделия или полуфабрикаты можно разделить на две большие группы в зависимости от того, в каком виде материал покрытия подается к покрываемой поверхности: 1) контактные и 2) химические.
К первой группе относят методы, предусматривающие контакт поверхности изделия непосредственно с материалом покрытия, находящимся в твердом, жидком или газообразном состоянии. Во вторую группу включают методы, по которым материал покрытия доставляется к покрываемой поверхности в виде химических соединений, а покрытие образуется в результате поверхностной химической реакции. Полученное покрытие в этом случае отличается по составу как от материала изделия, так и от среды, содержащей компоненты покрытия, которая может быть жидкой или газообразной.
Известны следующие контактные методы нанесения покрытий.
1. Плакирование. Твердый материал покрытия подвергается обработке давлением вместе с покрываемым материалом; их сцепление имеет в основном механический характер.
2. Окрашивание, эмалирование, окунание, электрофорез и т. д. Твердый порошкообразный материал покрытия наносится на поверхность изделии в виде краски, суспензии или с помощью электрофореза. Последующий нагрев изделия приводит к спеканию или оплавлению покрытия. Иногда перед нагревом производят уплотнение слоя, опрессовывая его.
3. Оплавление. Изделие покрывают слоем порошка или фольгой из материала покрытия и нагревают до температуры плавления материала покрытия. Хорошее сцепление обеспечивается диффузионными процессами.
4. Наплавление. Методом сварки жидкий материал покрытия наносится на изделие с помощью локального способа нагрева.
5. Погружение в расплав, по составу не отличающийся от покрытия. Если изделие при пофужении имеет температуру ниже температуры плавления расплава, способ называют методом намораживания. После погружения детали с покрытием нередко подвергают отжигу для улучшения качества покрытия.
6. Растекание. На поверхность изделия, нагретого до температуры плавления материала покрытия, наносят порции материала покрытия, которые, растекаясь по поверхности изделия, образуют покрытие.
7. Капельное напыление. Жидкий материал покрытия в виде мелких капель поступает на поверхность изделия, имеющего, как правило, температуру более низкую, чем температура плавления материала покрытия.
8. Конденсация пара. Материал покрытия, обычно металл, испаряют вблизи от покрываемой поверхности. Пар, конденсируясь на поверхности изделия, образует на ней покрытие, которое по составу не отличается от паровой фазы. Процесс обычно проводят в вакууме, и поэтому метод часто называют вакуумной металлизацией.
Методы 3—7 иногда выделяют в особую группу и называют их жидкостными контактными методами.
К химическим методам нанесения покрытий относятся следующие.
1. Жидкостный химический. Материал изделия вступает в химическую реакцию с жидкой средой, созданной вокруг изделия.
2. Газофазный химический. Химическая реакция происходит на поверхности изделия между материалом изделия и газовой средой или отдельными компонентами газовой среды. Если жидкостный или газофазный химические методы осуществляют при повышенной температуре, то этот метод называют химико-термическим. Если скорость нанесения покрытий определяет диффузия, метод называют термодиффузионным.
3. Избирательное осаждение. Покрытие образуется на поверхности детали, погруженной в жидкий расплав, в результате взаимодействия материала изделия с одним из компонентов расплава.
4. Электрохимический. Под действием электрического тока на поверхности изделия осаждается материал покрытия из водных, солевых или органических растворов электролитов.
В литературе подробно описаны многие из перечисленных методов нанесения покрытий.
Обширная научно-техническая литература имеется по химико-термической и термодиффузионной обработке изделий из тугоплавких металлов и сплавов. Поэтому в данной главе приведен материшь посвященный лишь некоторым из перечисленных выше методов нанесения покрытий, имеющим преимущественное распространение в технологии СВТКМ. Рассмотрение методов нанесения высокотемпературных покрытий с этих позиций позволило выделить из них четыре группы для более подробного изложения:
1) жидкостные контактные методы;
2) метод избирательного осаждения из расплавов;
3) осаждение из газовой фазы;
4) электролиз расплавленных солей.
Покрытие, образованное на поверхности изделия, должно обладать одним или несколькими основными свойствами, которые определяются его назначением. Так, основное свойство жаростойких покрытий — высокая стойкость против окисления; износоустойчивые покрытия должны иметь высокую твердость и хорошие механические свойства и т. д. Чтобы покрытие могло удовлетворительно работать в конструкции, оно должно обладать также некоторыми вспомогательными свойствами. Например, жаростойкое покрытие в ракетных твердотопливных двигателях должно не только отличаться высокой жароупорностью, но и сопротивляться эрозии, вибрации, царапанию, выдерживать резкое изменение температуры, радиацию, не взаимодействовать с газовыми и жидкими составляющими сверхзвукового газового потока.
Ho независимо от назначения покрытие, предназначенное для работы в условиях высоких температур, должно обладать комплексом обязательных качеств. К их числу следует отнести:
1) совместимость — незначительное взаимодействие с материалом изделия;
2) слабое взаимодействие с окружающей средой (если это качество покрытия не предусматривается основным свойством);
3) низкую упругость пара;
4) стабильность — сохранение, как правило, неизменного состава в течение всего периода службы;
5) сцепляемость — прочное соединение с материалами изделия, не ухудшающееся в процессе работы.
Свойства материала в виде покрытия нередко отличаются от свойств того же материала в массивной форме, что объясняется большой удельной поверхностью и иногда — особой структурой покрытия. Такие свойства покрытий, как сцепляемость и совместимость, обычно не используются для оценки массивных материалов.
Для определения свойств покрытий не всегда могут быть использованы обычные методы испытаний, распространенные в материаловедении, а существующие методы определения свойств покрытий настолько разнообразны, что часто не позволяют получить сравнимые данные. Нередко для оценки работоспособности покрытия на конкретной детали требуется создание новых методов измерения. Во многих случаях заключение о качестве покрытия складывается только после испытания на установках, моделирующих эксплуатационные условия, или даже (несмотря на высокую стоимость) после испытания в реальных конструкциях.