Способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия

 

Изобретение относится к области химико-термической обработки. Способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин включает хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси, термовакуумную обработку, после чего производят вакуум-плазменное напыление на входные кромки лопаток слоя, содержащего алюминий, и последующий отжиг для окончательного формирования покрытия, имеющего структуру β-фазы на входной кромке с концентрацией алюминия 22,5-24,0 % с переходом в β+γʹ - фазу на остальных участках лопаток с концентрацией алюминия 16-18 %. Технический эффект заключается в повышении долговечности и надежности деталей газотурбинных двигателей, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления. 5 ил.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроительных отраслях народного хозяйства для защиты деталей газотурбинных двигателей от газовой коррозии.

Известны способы получения конденсационных и диффузионных покрытий, каждый из которых имеет свои разновидности. Наиболее существенными недостатками данных способов является: низкая адгезия покрытия к подложке, пористость покрытия - для конденсационных покрытий; ограниченные возможности по одновременному введению в состав покрытия нескольких элементов - для диффузионных покрытий /1/.

Наиболее близким техническим решением является способ нанесения комбинированного защитного покрытия, включающий последовательное применение вакуум-плазменного способа для нанесения подслоя, содержащего набор элементов, необходимых для обеспечения специальных служебных свойств покрытия, и хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси для насыщения покрытия алюминием и хромом с целью обеспечения его жаростойкости и устранения недостатков напыленного подслоя: пористости и низкой адгезии с подложкой /2/.

Покрытие, получаемое таким способом, имеет одинаковый состав и толщину, структуру, а, следовательно, и свойства по профилю защищаемой лопатки. Практика показывает, что отдельные участки детали лопаток турбин работают в разных условиях температурных и механических нагрузок. Так, входные кромки рабочих лопаток газовых турбин вследствие повышенного нагрева наиболее сильно подвержены окислению.

Для повышения ресурса данных участков необходимо повышать концентрацию алюминия в покрытии, их защищающем. Однако, с повышением концентрации алюминия в покрытии снижается его пластичность при более низких температурах, что приводит к термоусталостному растрескиванию покрытия и материала детали в более холодных зонах, например на выходных кромках рабочих лопаток турбин. Состав подслоя, нанесенного вакуум-плазменным способом, имеет химический состав, близкий к химическому составу сплава, и поэтому недостаточно эффективен. Кроме того, нанесение подслоя толщиной 20 - 50 мкм ограничивает толщину хромоалитированного слоя в покрытии, несущего в себе основной запас алюминия, определяющего жаростойкость покрытия. Нанесение подслоя приводит к значительному удорожанию технологии.

Сущность изобретения заключается в повышении долговечности и надежности деталей, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления, путем нанесения комбинированного защитного покрытия с изменяющимся в соответствии с условиями работы составом и структурой по профилю защищаемой детали.

Технический результат достигается тем, что способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин включает: хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси, термовакуумную обработку, после чего производят вакуум-плазменное напыление на входные кромки лопаток слоя, содержащего алюминий, и последующий отжиг для окончательного формирования покрытия, имеющего структуру β- фазы на входной кромке с концентрацией алюминия 22,5 - 24,0% с переходом в β+γʹ- фазу на остальных участках лопаток с концентрацией алюминия 16 - 18%. Участки детали, работающие при несколько низших температурах, из соображений сопротивляемости растрескиванию имеют покрытие сравнительно небольшой толщины, со структурой β+γʹ- -фаз, обеспечивающей значительные сжимающие напряжения в покрытии. А участки детали, подверженные наиболее интенсивному высокотемпературному окислению, наиболее сильно нагреты. Пластичность покрытия с высокой концентрацией алюминия в таких условиях достаточно высока. На таких участках целесообразно иметь более толстое покрытие с повышенным содержанием алюминия, что обеспечивается напылением вакуум-плазменным способом.

Сопоставимый анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ существенно отличается от известного тем, что на защищаемую поверхность, отказываясь от конденсационного подслоя, наносится покрытие хромоалитированием в вакууме в порошках. А на участки, подверженные наиболее интенсивной газовой коррозии, вакуум-плазменным способом дополнительно наносят слой с высокой концентрацией алюминия. Последующий отжиг формирует окончательный состав, структуру и свойства жаростойкого комбинированного покрытия.

На фиг. 1 дан график изменения концентрации алюминия в наружной зоне защитного покрытия по профилю защищаемой детали.

На фиг. 2 представлена микроструктура защитного покрытия на входной [а] и на остальных участках профиля лопатки [б].

На фиг. 3 дан график изменения концентрации алюминия в покрытии во время циклических испытаний при температуре 1150^oC.

На фиг. 4 дан график относительного расширения диффузионной зоны во время циклических испытаний при температуре 1150^oC.

На фиг. 5 дан график относительного изменения толщины покрытия во время испытаний при температуре 1150^oC.

График фиг. 1 привязан к условным точкам профиля поперечного сечения лопатки турбины. В случае однородного покрытия ресурс лопатки в целом определялся бы исчерпанием свойств покрытия на входной кромке. Для повышения долговечности покрытия на входной кромке при сохранении удовлетворительных характеристик покрытия на остальных участках концентрация алюминия повышена до 24 - 26 мас.%. Микроструктура защитного покрытия на входной кромке (фиг. 2) представлена β- фазой и комбинацией β+γʹ- фаз с карбидами различных типов во внутренней зоне.

Пример конкретного выполнения (оптимальный).

Предлагаемый способ нанесения комбинированного покрытия реализован следующим образом. Покрытие наносят на лопатку, изготовленную из никелевого сплава. Хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси вели при температуре процесса, равной 1190^oC, продолжительностью процесса 1 ч 50 мин. Толщина получаемого покрытия 80 - 100 мкм. Порошковая смесь содержит 13% алюминия, 47% хрома, 50% окиси алюминия.

Затем лопатки турбины с покрытием подвергались термовакуумной обработке по режиму: закалка: температура 1240^oC, продолжительностью - 1 ч 15 мин. В процессе термообработки происходит формирование оптимальной структуры и свойств покрытия в районе спинки, корыта, выходной кромки. На входные кромки лопаток вакуум-плазменным способом дополнительно наносили слой системы Ni-Al-Y с концентрацией алюминия около 80%. В процессе последующего диффузионного отжига при температуре 1050^oC и при продолжительности - 3 ч формируется покрытие, имеющее структуру и β- фаза на входной кромке 22,5 - 24,0% алюминия с переходом в β+γʹ- фазу на остальных участках пера 16 - 18% алюминия. Предлагаемый способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия может быть реализован с использованием любых вакуумных печей и установок, позволяющих наносить конденсационные покрытия. 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 газотурбинного двигателя в целом.

Источники информации 1. Коломыцев П. Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлургия, 1979, 272 с.

2. П. Т. Коломыцев, О.В. Скрыль, С.А. Кочетов Повышение надежности ГТД путем применения комбинированных жаростойких покрытий на лопатках турбин. Конструкционная прочность двигателей: Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции 14 - 16 июня 1988 г. Куйбыш. политех. ин-т. 1988, 2 с (прототип).

Формула изобретения

Способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин, включающий хромоалитирование и вакуум-плазменное напыление, отличающийся тем, что хромоалитирование проводят в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой, а вакуум-плазменное напыление проводят после термовакуумной обработки путем нанесения слоя, содержащего алюминий, на входные кромки лопаток с последующим отжигом для окончательного формирования покрытия, имеющего структуру β- фазы на входной кромке с концентрацией алюминия 22,5 - 24,0% с переходом в β+γʹ - фазу на остальных участках лопаток с концентрацией алюминия 16 - 18%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5