способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов

Формула изобретения

Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов, включающий хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой путем закалки с получением хромоалитированного слоя, состоящего из +у' - фаз, напыление на детали электронно-лучевым методом керамического слоя столбчатого строения состава ZrO₂ -8Y₂O₃, нанесение на него электронно-лучевым методом плотного керамического слоя, содержащего ZrO₂ , Y₂O₃, Si, толщиной 10-15 мкм, и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия, отличающийся тем, что наносят слой плотного керамического покрытия, дополнительно содержащий Аl₂O₃ и Hf следующего состава: ZrO₂-11Y₂O₃-(20-25)Al₂ O₃-(10-12)81-(5-8)Hf, а диффузионный отжиг проводят с формированием структуры покрытия, состоящей из [ZrO₂ -11Y₂O₃-(20-25)Al₂O₃ -(10-12)Si-(5-8)Hf]-(ZrO₂-8Y₂O₃ )- +у' - фазы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения комбинированных покрытий для защиты от окисления при высокой температуре металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении для защиты деталей от газовой и сульфидной коррозии.

Известны способы нанесения конденсационных, диффузионных и теплозащитных покрытий, применяемых для обеспечения работоспособности деталей машиностроения, полученные методом электронно-лучевого напыления или плазменного осаждения на воздухе или в вакууме. Основными факторами, влияющими на долговечность теплозащитного покрытия, являются: жаростойкость металлического подслоя, структура и состав керамического слоя, соответствие коэффициентов термического расширения подслоя и керамики (см. Коломыцев П.Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов. - М.: Металлургия, 1984 г., 215 с.).

Существенным недостатком диффузионных покрытий является их низкая стабильность и долговечность при высоких температурах. Теплозащитные покрытия характеризуются более низкой теплопроводностью, но растрескиваются и отслаиваются при теплосменах под действием термомеханических нагрузок (см. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001 г., 620 с.).

Электронно-лучевые керамики на основе диоксида циркония имеют высокую кислородопроницаемость (см. Жук И.Н., Коломыцев П.Т., Семенов А.П. Исследование эффективности применения теплозащитных покрытий. Защитные покрытия. Научно-методические материалы. М. ВВИА им.Н.Е. Жуковского, 1994 г., стр.106-111).

Известен способ нанесения покрытия, включающий предварительную абразивно-жидкостную обработку, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуум-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония стабилизированного 7-9% оксида иттрия (ZrO₂-7Y ₂O₃) и последующий вакуумный диффузионный и окислительный отжиг (патент на изобретение РФ № 2078148). Покрытие, получаемое данным способом, должно иметь толщину до 300 мкм, с целью получения достаточного теплоперепада по толщине покрытия, что приводит к снижению его служебных характеристик и не снижает кислородопроницаемости керамического слоя.

Известен способ нанесения покрытия на детали, работающие при высоких температурах, включающий предварительную обработку поверхности детали, нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе никеля, нанесение второго слоя, содержащего алюминий. Затем проводят вакуумный диффузионный отжиг, подготовку поверхности под напыление третьего слоя покрытия из порошка ZrO₂ -Yb₂O₃ или смеси порошков ZrO₂ -Yb₂O₃ и ZrO₂-Y₂O ₃ (патент на изобретение РФ № 2280095, опубл. 20.07.2006 г., бюл. № 20).

Для нанесения покрытия используют порошок ZrO₂+(2-5)%Y₂O₃+(3-4)%YbO ₃ (патент Японии 61-41757).

Частичная замена в порошковой смеси иттрия на иттербий не повышает долговечность покрытия, а лишь снижает его стоимость.

Известен способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий на основе композиции ZrO₂+NiCr (патент на изобретение РФ № 2283363, опубл. 10.09.2006 г., бюл. № 25). В данном способе использование оксида кальция в качестве стабилизирующей добавки приводит к снижению теплостойкости композиции в целом, а введение порошка нихрома в порошки диоксида циркония повышает лишь эрозионную стойкость покрытия.

Наиболее близким техническим решением является способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов, включающий хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой путем закалки с получением хромоалитированного слоя, состоящего из + ' - фаз, напыление на детали электронно-лучевым методом керамического слоя столбчатого строения состава ZrO₂ -8Y₂O₃, нанесение на него электронно-лучевым методом плотного керамического слоя, содержащего ZrO₂ , Y₂O₃, Si толщиной 10-15 мкм, и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия (см.патент на изобретение RU № 2402639С1, кл. С23С 28/00, опубл. 27.10.2010 г., бюл. № 30, 3с.), принятый за прототип.

Покрытие используется для защиты наружной поверхности рабочих лопаток ГТД от высокотемпературного окисления, работающих при более высоких температурах (1000-1180)°С.

Покрытие имеет состав, толщину и структуру, а следовательно, и свойства, соответствующие условиям работы, профилю защищаемой детали.

Покрытие, получаемое таким образом, обладает недостаточной долговечностью при температурах (1150-1200)°С и недостаточной долговечностью при сульфидной коррозии. Это объясняется тем, что керамическая составляющая комбинированного покрытия, нанесенная электронно-лучевым методом, обладая высокой термостойкостью, имеет высокую кислородопроницаемость, обусловленную ее структурой столбчатого строения.

При работе двигателя к сокращению долговечности покрытия приводят процессы образования солевых отложений на поверхности керамического слоя, заполнение отложениями солей пор и микротрещин, развитие химических реакций в структуре керамики. Эти реакции оказывают влияние на дестабилизацию диоксида циркония и вызывают образование неблагоприятного напряженного состояния в системе вследствие изменения фазового состава ZrO₂, изменение пористости и проницаемости покрытия.

Технической задачей изобретения является увеличение рабочих температур деталей машиностроения и повышение их долговечности в условиях газовой и сульфидной коррозии за счет применения комбинированного теплозащитного покрытия (ТЗП).

Технический результат изобретения заключается в повышении долговечности и надежности деталей, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления, за счет нанесения комбинированного теплозащитного покрытия с изменяющейся в соответствии с условиями работы, составом и структурой по профилю защищаемой детали и пониженной кислородопроницаемостью керамической составляющей покрытия.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов, включающем хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой путем закалки с получением хромоалитированного слоя, состоящего из + ' - фаз, напыление на детали электронно-лучевым методом керамического слоя столбчатого строения состава ZrO₂ -8Y₂O₃, нанесение на него электронно-лучевым методом плотного керамического слоя, содержащего ZrO₂ , Y₂O₃, Si, толщиной 10-15 мкм, и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия, наносят слой плотного керамического покрытия, дополнительно содержащий Al₂O₃ и Hf, следующего состава: ZrO ₂-11Y₂O₃-(20-25)Al₂O ₃-(10-12)Si-(5-8)Hf, а диффузионный отжиг проводят с формированием структуры покрытия, состоящей из [ZrO₂-11Y₂ O₃-(20-25)Al₂O₃-(10-12)Si-(5-8)Hf]-(ZrO ₂-8Y₂O₃)- + ' - фазы.

Технический результат достигается за счет нового действия в нанесении комбинированного теплозащитного покрытия, а именно: нанесения слоя плотного керамического покрытия, дополнительно содержащего Al₂O₃ и Hf, следующего состава: ZrO₂-11Y₂O₃-(20-25)Al ₂O₃-(10-12)Si-(5-8)Hf.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ существенно отличается от известного тем, что на покрытие состава ZrO₂-8Y₂O₃- + ' - фазы дополнительно электронно-лучевым методом наносят плотный слой керамики состава ZrO₂-11Y₂ O₃-(20-25)Al₂O₃-(10-12)Si-(5-8)Hf. Последующий диффузионный отжиг формирует окончательный состав, структуру и свойства комбинированного теплозащитного покрытия.

На фиг.1 приведена микроструктура поверхности керамического слоя (вид сбоку при 15° от горизонтали, увеличение 200).

На фиг.2 приведена микроструктура хромоалитированного слоя - + ' - фазы.

На фиг.3 приведена зависимость изменения удельной массы образцов с покрытиями при изотермической выдержке при температуре 1100°С.

На фиг.4 приведена зависимость числа циклов испытаний до появления первой трещины в покрытии от состава покрытия (цикл 1100 20°С).

На фиг.5 приведена зависимость изменения долговечности покрытий при испытаниях на циклическую жаростойкость при 1100°С и сульфидную коррозию при 850°.

На фиг.6 приведена зависимость влияния состава слоя керамики на пластичность покрытия.

Пример конкретного выполнения (оптимальный)

Способ нанесения комбинированного покрытия реализован следующим способом. Покрытие наносят на детали, изготовленные из жаропрочного сплава. Хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси вели при температуре процесса, равной 1190°С, продолжительностью процесса 1 ч 30 мин. Толщина получаемого покрытия 70-80 мкм. Порошковая смесь содержит 13% алюминия, 37% хрома, 50% окиси алюминия. Затем детали с покрытием подвергались термовакуумной обработке (ТВО) путем закалки - температура 1240°С, продолжительностью 1 ч 45 мин. В процессе ТВО происходит формирование оптимальной структуры и свойств покрытия. На участки деталей, работающих в условиях высокотемпературного окисления, электронно-лучевым методом дополнительно наносили слой системы ZrO₂-8Y ₂O₃ столбчатой структуры. На слой покрытия ZrO ₂-8Y₂O₃ электроннолучевым методом наносили плотный слой керамики толщиной 10-15 мкм состава ZrO ₂-11Y₂O₃-(20-25)Al₂O ₃-(10-12)Si-(5-8)Hf. Введение в керамику (20-25)Al ₂O₃-(10-12)Si (мас.%) обеспечивает высокую жаростойкость, стойкость против сульфидной коррозии и пониженную кислородопроницаемостью керамической составляющей покрытия. Концентрации (20-25)Al ₂O₃-(10-12)Si достаточны для формирования плотного керамического слоя в пределах ресурса покрытия. Повышение концентрации кремния выше 10-12% приводит к снижению пластичности покрытия с 1,2 до 0,37%. Введение (5-8) Hf повышает пластичность покрытия до 1,3% с одновременным повышением циклической долговечности покрытия. Превышение концентрации (5-8) Hf не оказывает существенного влияния на повышение эксплуатационных свойств покрытия.

Толщина керамического слоя составляет 80-95 мкм. Все керамические слои наносили на промышленной установке УЭ-175. В процессе последующего диффузионного отжига при температуре 850°С и продолжительности 32 часа формируется окончательный состав покрытия.

Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе «Neophot-21». Химический состав определялся микрорентгеноспектральным способом на электронном микроскопе «Stereoscan - S-600» с микроанализатором « Link». Состояние покрытий при испытаниях контролировали ЛЮМ-1-ОВ методом.

Использование способа наиболее эффективно для защиты от высокотемпературного окисления рабочих лопаток турбин в связи с их высокой стоимостью и решающим влиянием их ресурса на ресурс ГТД в целом.