Удаление упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности деталей из титановых сплавов

Введение

Защитные упрочняющие покрытия из нитридов титана и циркония на лопатках компрессора и других деталях газотурбинных двигателей (ГТД) [1–7], как правило, при эксплуатации подвергаются физико-химическому воздействию: эрозионному разрушению песчаной пылью и газовой коррозии при сгорании топлива. Лопатки компрессора с отработанным или дефектным упрочняющим покрытием могут быть повторно использованы после ремонта [8], включающего удаление дефектных слоев покрытия или покрытия целиком, подготовку поверхности лопатки под повторное нанесение покрытия и непосредственно процесс нанесения покрытия с последующим контролем качества нанесенного покрытия. Для удаления покрытий используют механический, химический и электрохимический методы. Восстановление покрытий производят по серийным технологиям предприятий отрасли.

В России наиболее распространенными способами удаления упрочняющих покрытий из нитридов титана и циркония с поверхности лопаток компрессора и других деталей ГТД из титановых сплавов являются химический и электрохимический методы с использованием растворов и электролитов на основе неорганических кислот и гидроксидов щелочных металлов.

В Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ) разработана технология химического удаления упрочняющего покрытия на основе нитрида титана с поверхности лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов в растворе на основе плавиковой и азотной кислот с добавкой ингибитора травления фениламина при комнатной температуре [9]. Длительность обработки зависит от толщины удаляемого покрытия. По окончании обработки лопатку погружают в щелочной раствор для нейтрализации остатков кислотного раствора, промывают в горячей и холодной воде и подвергают очистке щеткой от продуктов травления покрытия. Высокое содержание плавиковой кислоты в растворе позволяет проводить процесс с большой скоростью, однако при этом значительно повышается скорость травления материала основы, в результате чего возможно растравливание материала лопатки и изменение ее геометрических параметров, приводящее к браку.

В ПАО «Химпром» (г. Новочебоксарск) разработана двухстадийная технология удаления упрочняющего покрытия на основе нитрида титана с поверхности деталей из нержавеющей стали [10]. На первой стадии проводят кратковременную электрохимическую обработку деталей в электролите на основе гидроксида калия при комнатной температуре, на второй стадии обработанное покрытие подвергают химическому травлению в горячем растворе серной кислоты. Недостатком технологии является ее многостадийность, из-за чего значительно повышается трудоемкость процесса удаления покрытия.

На Московском машиностроительном предприятии (ММП) им. В.В. Чернышева разработана технология двухстадийного удаления упрочняющего покрытия на основе нитрида циркония с поверхности лопаток ГТД из титановых сплавов [11]. На первой стадии проводят травление покрытия в растворе на основе азотной кислоты с добавкой плавиковой кислоты и хромового ангидрида, на второй стадии – удаление продуктов травления покрытия в торовой вибрационной установке путем обработки керамическими гранулами. Недостатками указанного способа являются существенная продолжительность и многостадийность процесса, в результате чего значительно повышается трудоемкость процесса удаления покрытия.

В УГАТУ предложены составы растворов на основе плавиковой, азотной, соляной и фосфорной кислот для химического удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности лопаток компрессора ГТД из сталей при комнатной температуре [12, 13]. Недостатками указанного способа являются многокомпонентность растворов для удаления покрытий, сложность их составления и корректирования и неприменимость данного способа для удаления покрытия из нитридов титана и циркония с поверхности лопаток компрессора из титановых сплавов.

В работе [14] описан способ химического удаления упрочняющего покрытия на основе нитрида титана с поверхности деталей из различных материалов в растворе на основе перманганата калия и гидроксида калия (натрия) при комнатной температуре. Недостатком указанного способа является его значительная продолжительность.

На ММП им. В.В. Чернышева разработан способ удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония c поверхности лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов и жаропрочных сталей сильноточным импульсным электронным пучком микросекундной длительности в рабочей камере сильноточного электронного ускорителя [15]. В АО «Вакууммаш» разработан способ электролитно-плазменного удаления (разновидность способов электрохимической обработки) упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония c поверхности лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов в электролите на основе солей плавиковой кислоты при высоких рабочем напряжении и температуре электролита [16]. Основными недостатками указанных способов являются высокая стоимость и энергоемкость используемого оборудования.

На основании анализа научно-технической литературы в области удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности лопаток компрессора и других деталей ГТД, во ФГУП «ВИАМ» для разработки способов удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония предложено использовать метод химической обработки в растворах на основе неорганических кислот и их солей.

В данной работе приведены результаты разработки способов химического удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности деталей из титанового сплава ВТ6, показана возможность разработки бескислотных составов растворов для удаления упрочняющих покрытий.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 17.3. «Многослойные жаростойкие и теплозащитные покрытия, наноструктурные упрочняющие коррозионные и коррозионностойкие, износостойкие, антифреттинговые покрытия для защиты деталей горячего тракта и компрессора ГТД и ГТУ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [17].

Материалы и методы

В работе использовали прямоугольные образцы из титанового сплава ВТ6. Состав сплава, из которого изготовлены образцы, приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав сплава ВТ6 по ГОСТ 19807–91

Нанесение упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония на образцы из титанового сплава ВТ6 проводили на установке ионно-плазменного напыления покрытий МАП-3.

Для химического удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 использовали установку, разработанную во ФГУП «ВИАМ». Установка состоит из электролитической ванны, расположенной в вытяжном шкафу, системы поддержания температуры и фильтрации электролита, источника питания и может использоваться для проведения химических, электрохимических и электролитно-плазменных процессов.

Металлографические исследования для оценки толщины нанесенных упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония на образцы из титанового сплава ВТ6 и полноты удаления упрочняющих покрытий с поверхности образцов проводили на металлографическом микроскопе Olympus GX51 с цифровой системой обработки изображений при увеличениях ×500 и ×1000.

Металлофизические исследования поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 после удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония проводили на раствором электронном микроскопе JSM 6490LV c приставкой для рентгеноспектрального микроанализа INCA x-sight.

Результаты и обсуждение

На образцы из титанового сплава ВТ6 по технологии ионно-плазменного напыления на установке МАП-3 наносили упрочняющие покрытия на основе нитридов титана и циркония.

По результатам металлографических исследований средняя толщина покрытий на основе нитридов титана и циркония составляет 5 и 30 мкм соответственно.

Микроструктуры образцов из титанового сплава ВТ6 с покрытиями на основе нитридов титана и циркония в исходном состоянии приведены на рис. 1.

Рис. 1. Микроструктуры (×1000) образцов из сплава ВТ6 с покрытиями на основе нитридов титана (а) и циркония (б) в исходном состоянии

Разработаны составы растворов на основе неорганических кислот (кислотные) и на основе их солей (бескислотные), позволяющие проводить химическое удаление упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности деталей из титановых сплавов с наименьшим воздействием на материал основы.

Полноту удаления покрытий контролировали визуально − по изменению окраски поверхности образцов с насыщенно золотистой (для покрытия на основе нитрида титана) и бледно-золотистой (для покрытия на основе нитрида циркония) до серебристой, а также по появлению макроструктуры материала основы.

Результаты химического удаления упрочняющего покрытия на основе нитрида титана толщиной 5 мкм с поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 в зависимости от составов растворов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты удаления покрытия на основе нитрида титана толщиной 5 мкм

Согласно полученным результатам, продолжительность удаления покрытия на основе нитрида титана в кислотном растворе приблизительно в 5,5 раза меньше продолжительности удаления покрытия из нитрида титана в бескислотном растворе. При удалении покрытия в кислотном растворе необходимо строго соблюдать продолжительность выдержки образца в растворе, так как при передержке образца возможен съем материала основы, приводящий к браку.

Внешний вид поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 до и после удаления покрытия на основе нитрида титана толщиной 5 мкм в кислотном и бескислотном растворах приведен на рис. 2. На рис. 3 приведены микроструктуры образцов после химического удаления покрытия на основе нитрида титана в кислотном и бескислотном растворах.

Рис. 2. Внешний вид поверхности образцов из сплава ВТ6 до (а, б) и после (в, г) удаления покрытия на основе нитрида титана в кислотном (в) и бескислотном (г) растворах

Рис. 3. Микроструктуры (×500) образцов после химического удаления покрытия на основе нитрида титана в кислотном (а) и бескислотном (б) растворах

На рис. 4 приведены результаты качественного рентгеноспектрального анализа поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 после химического удаления покрытия на основе нитрида титана в кислотном и бескислотном растворах соответственно, согласно которым химический состав поверхности образцов после удаления покрытия соответствует составу сплава.

По результатам металлографических и металлофизических исследований установлено, что покрытие на основе нитрида титана толщиной 5 мкм с поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 удалено, а материал основы имеет ровную поверхность без следов растравливания.

Результаты химического удаления упрочняющего покрытия на основе нитрида циркония толщиной 30 мкм с поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 в зависимости от составов растворов приведены в табл. 3.

Рис. 4. Область анализа (×1500) и спектрограмма с указанного участка поверхности образца из сплава ВТ6 после удаления покрытия на основе нитрида титана в кислотном (а) и бескислотном (б) растворах

Таблица 3

Результаты удаления покрытия на основе нитрида циркония толщиной 30 мкм

Согласно полученным результатам, продолжительность удаления покрытия на основе нитрида циркония в кислотном растворе приблизительно в 3,5 раза меньше продолжительности удаления покрытия на основе нитрида циркония в бескислотном растворе.

Внешний вид поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 до и после удаления покрытия на основе нитрида циркония толщиной 30 мкм в кислотном и бескислотном растворах приведен на рис. 5.

На рис. 6 приведены микроструктуры образцов после химического удаления покрытия на основе нитрида циркония в кислотном и бескислотном растворах.

На рис. 7 приведены результаты качественного рентгеноспектрального анализа поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 после химического удаления покрытия на основе нитрида циркония в кислотном и бескислотном растворах соответственно, согласно которым химический состав поверхности образцов после удаления покрытия соответствует составу сплава.

Рис. 5. Внешний вид поверхности образцов из сплава ВТ6 до (а, б) и после удаления (в, г) покрытия на основе нитрида циркония в кислотном (в) и бескислотном (г) растворах

Рис. 6. Микроструктуры (×500) образцов после химического удаления покрытия на основе нитрида циркония в кислотном (а) и бескислотном (б) растворах

Рис. 7. Область анализа (×1500) и спектрограмма с указанного участка поверхности образца из сплава ВТ6 после удаления покрытия на основе нитрида циркония в кислотном (а) и бескислотном (б) растворах

По результатам металлографических и металлофизических исследований установлено, что покрытие на основе нитрида циркония толщиной 30 мкм с поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 удалено, а материал основы имеет ровную поверхность без следов растравливания.

Заключения

Во ФГУП «ВИАМ» разработаны способы и предложены кислотные и бескислотные составы растворов для химического удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности деталей из титановых сплавов.

Установлено, что продолжительность удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония в кислотном растворе соответственно в 3,5 и 5,5 раза меньше продолжительности удаления таких же покрытий в бескислотном растворе. При удалении покрытий в кислотном растворе необходимо строго соблюдать продолжительность выдержки деталей в растворе во избежание растравливания материала основы.

Разработанные способы химического удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония могут быть использованы для удаления дефектных и отработанных покрытий с поверхности лопаток компрессора и других деталей ГТД из титановых сплавов. Контроль полноты удаления покрытий можно осуществлять как визуально − по изменению цвета поверхности с насыщенно-золотистого (для покрытия на основе нитрида титана) и бледно-золотистого (для покрытия на основе нитрида циркония) до серебристого (цвет материалы основы из титанового сплава), так и по проявлению макроструктуры материала основы, что значительно облегчает определение момента окончания процесса.

Таким образом, разработанные способы химического удаления упрочняющих покрытий на основе нитридов титана и циркония с поверхности деталей из титановых сплавов могут быть использованы на предприятиях для ремонта лопаток компрессора и других деталей ГТД.