Способ защиты лопаток газовых турбин

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин с монокристальной структурой из высокорениевых жаропрочных литейных никелевых сплавов. Способ включает формирование керметного слоя из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы введением в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)×10^-1 Па. Затем проводят осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы. Затем осаждают второй слой из сплава на основе алюминия. После осаждения указанных слоев проводят вакуумный отжиг. В частных случаях выполнения данного изобретения толщина керметного слоя составляет 10-50 мкм. В качестве углеродсодержащего газа используют газообразные углеводороды или их смесь с инертным газом. Техническим результатом изобретения является повышение долговечности и жаростойкости сплава. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин с монокристальной структурой из жаропрочных литейных никелевых сплавов.

Известны способы защиты лопаток газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов от высокотемпературного окисления с помощью жаростойких защитных алюминидных покрытий, наносимых на поверхность пера различными способами.

Известен способ алитирования монокристальных ренийсодержащих никелевых сплавах, в котором перед формированием алюминидного покрытия предлагается модифицировать поверхность сплава металлами для снижения содержания рения в поверхностном слое. Модифицирование проводят путем нанесения на поверхность кобальта, хрома и подобных им металлов различными физическими или химическими способами с последующей термообработкой в вакууме. Затем формируют платино-алюминидное покрытие путем осаждения слоя платины толщиной 2,5-12,5 мкм, вакуумной термообработкой и насыщением поверхности алюминием /патент ЕР №0821076/.

Недостатком способа являются высокая трудоемкость нанесения покрытия и формирование под покрытием вторичной реакционной зоны (ВРЗ), приводящей к разупрочнению сплава.

Известен, также способ получения деталей с покрытием из никелевых суперсплавов с улучшенной стабильностью микроструктуры, в котором предлагается проводить длительные термообработки при температуре и в течение времени, достаточных для растворения упрочняющей γ'-фазы и выравнивания в заданных пределах концентрации рения в дендритных осях и междендритных пространствах / патент ЕР №1146134/.

Недостатком способа являются высокая трудоемкость из-за необходимости проведения термообработки при температурах, близких к температурам солидуса сплава, и формирование топологически плотноупакованных фаз на основе рения в зоне диффузионного взаимодействия покрытия с основой.

Известен способ получения платино-алюминидного диффузионного покрытия, легированного кремнием и гафнием. Покрытие наносят в несколько стадий. Сначала на поверхности жаропрочного сплава формируют начальный алюминидный слой, совместным осаждением алюминия, гафния, кремния. Затем на поверхность слоя алюминида наносят платину и проводят алитирование всей композиции. При этом на поверхности жаропрочного сплава образуется однофазное платино-алюминидное покрытие, в зоне диффузионного взаимодействия которого с основой присутствуют силициды гафния, выполняющие роль диффузионного барьера. Слой, содержащий силициды, снижает интенсивность диффузионного обмена между сплавом и покрытием, что повышает циклическую и изотермическую жаростойкость композиции /патент США №6291014/.

Недостатком способа являются сложность и высокая трудоемкость нанесения покрытия, а также формирование под покрытием ВРЗ, приводящей к разупрочнению сплава на больших базах испытаний.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты лопаток газовых турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, тантал, иттрий, вольфрам, рений, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг /патент РФ №2190691/.

Недостатком известного способа является формирование под покрытием ВРЗ, содержащей топологически плотно упакованные фазы (ТПУ-фазы) с высоким содержанием рения, низкая жаростойкость сплава с покрытием, снижение длительной прочности сплава.

Технической задачей изобретения является уменьшение ширины ВРЗ, повышение долговечности и жаростойкости сплава.

Техническая задача достигается тем, что предложен способ защиты лопаток газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, путем введения в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)×10^-1 Па.

При этом толщина керметного слоя составляет 10-50 мкм, а в качестве углеродсодержащего газа используют газообразные углеводороды или их смесь с инертным газом.

Проведение начала процесса осаждения конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, в присутствии углеродсодержащего газа позволяет сформировать на границе покрытия с высокорениевым сплавом керметный слой на никелевой основе, содержащий карбиды тугоплавких металлов. При высоких температурах керметный слой препятствует развитию диффузионных процессов между покрытием и защищаемым сплавом. Это, с одной стороны, повышает жаростойкие свойства композиции сплав-покрытие, т.к. в покрытие не проникают элементы, снижающие жаростойкость (молибден, титан, ниобий), с другой стороны, тормозится проникновение в поверхностный слой сплава основных легирующих элементов покрытия - алюминия и хрома, что позволяет жаропрочному сплаву более длительное время сохранять свой элементный и фазовый состав, а значит и прочностные свойства. Карбиды металлов, сформированные при нанесении покрытия из никелевого сплава в присутствии углеродсодержащего газа, являются также источниками углерода при формировании сложных карбидов, в состав которых могут входить рений и вольфрам. В результате интенсивность образования ТПУ-фаз, в состав которых также в основном входят рений и вольфрам снижается, а ширина ВРЗ уменьшается.

Пример осуществления.

На образцы из никелевого сплава ЖС47 для испытаний на жаростойкость диаметром 10 и длиной 25 мм, а также для испытаний на длительную прочность с диаметром рабочей части 5 мм, на промышленной вакуумно-дуговой установке МАП-2 по серийной технологии ФГУП ВИАМ были нанесены четыре вида ионно-плазменных покрытий с использованием никелевого сплава ВСДП-8ВР (системы NiAlCrTaWReY) и алюминиевого сплава ВСДП-18 (системы AlNiCrY).

Подготовка поверхности образцов под нанесение покрытий включала обезжиривание в бензине и ацетоне. Перед нанесением покрытия при электрическом потенциале подложки (350-500) В в течение (3-5) минут проводилась очистка поверхности образцов ионным травлением в плазме материала покрытия. Конденсированные слои из сплавов ВСДП-8ВР и ВСДП-18 наносились при токах вакуумной дуги (500-700) А в вакууме (10^-3-10^-2) Па.

При нанесении покрытия по предлагаемому способу, по завершении очистки ионным травлением, в камеру подавался углеродсодержащий газ - ацетилен, метан, пропан и др. или смесь углеводорода с аргоном в количестве (20-50)%. Система автоматического регулирования установки обеспечивала постоянное давление углеродсодержащего газа в рабочей камере установки в пределах (0,1-5)×10^-1 Па. При снижении отрицательного электрического потенциала подложки до (100-150) В на поверхности образцов формировался керметный слой из никелевого сплава ВСДП-8ВР, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, представляющий собой металлическую матрицу с включениями мелкодисперсных карбидов тугоплавких металлов. Затем подача в рабочую камеру установки углеродсодержащего газа прекращалась, отрицательный электрический потенциал подложки уменьшался, и начиналось осаждение первого слоя конденсированного покрытия из сплава ВСДП-8ВР без изменения других технологических параметров процесса. Во всех процессах напыления суммарная толщина керметного и металлического слоев из никелевого сплава ВСДП-8ВР составила 80 мкм. Нанесение второго слоя из алюминиевого сплава ВСДП-18 проводилось в одном садке на установке МАП-2 после замены катода из сплава ВСДП-8ВР на катод из сплава ВСДП-18 для получения одинакового на всех образцах удельного привеса сплава на единицу поверхности 45 г/м² образца. После нанесения керметного, первого и второго слоев конденсированного покрытия образцы были отожжены в вакууме (0,1×10^-1)=10^-2 Па при температуре 1050°С в течение 3 ч.

Были проведены лабораторные испытания на жаростойкость в спокойной атмосфере печи на воздухе при температуре 1100°С. Образцы с покрытиями размещали в алундовых тиглях с крышками. Через 300 часов экспозиции проводили визуальный осмотр состояния поверхности и взвешивание образцов вместе с осыпавшейся окалиной для сравнительной оценки жаростойкости композиций по удельному привесу массы на единицу поверхности образцов. После испытаний из образцов были изготовлены микрошлифы для исследования микроструктуры покрытий и определения ширины ВРЗ. Долговечность образцов для испытаний на длительную прочность определялась при температуре 1000°С и нагрузке 270 МПа на базе испытаний 100 ч в процентах по сравнению с долговечностью образцов без покрытия. Для каждого вида испытаний определялось среднее арифметическое значение по результатам испытаний трех образцов с покрытием одного типа. Полученные результаты приведены в таблице.

Таблица №1
Параметр	Ширина ВРЗ, мкм	Жаростойкость по удельному привесу, г/м2	Долговечность, %
Давление углеродсодержащего газа, Па	10-2	10-1	5×10-1	10-2	10-1	5×10-1	10-2	10-1	5×10-1
1. ВСДП-8ВР (80 мкм) + ВСДП-18 (45 г/м2) Толщина керметного слоя 10 мкм	120	103	116	27	25	26	112	136	115
2. ВСДП-8ВР (80 мкм) + ВСДП-18 (45 г/м2) Толщина керметного слоя 20 мкм	125	49	61	28	15	21	110	159	143
3. ВСДП-8ВР (80 мкм) + ВСДП-18 (45 г/м2) Толщина керметного слоя 50 мкм	116	65	72	29	22	28	103	149	135
В вакууме без подачи углеродсодержащего газа
4. ВСДП-8ВР (80 мкм) + ВСДП-18 (45 г/м2) прототип	154	35	94
5. Без покрытия	-	148	100

Как видно из представленных примеров при нанесении покрытия на поверхность образцов в соответствии с предлагаемым способом ширина ВРЗ уменьшается по сравнению с прототипом в (1,2-3) раза, жаростойкость по удельному привесу возрастает в (1,3-2,3) раза, долговечность образцов до разрушения на (20-70)%. Матрица слоя на основе твердого раствора никеля не может препятствовать диффузионному взаимодействия жаростойкого покрытия и жаропрочного сплава, что приводит к постепенному образования ВРЗ. В то же время жаростойкость образцов и долговечность сплава возрастают по сравнению с покрытием без керметного слоя, т.к. процесс деградации керметного слоя контролируется диффузией и занимает при температуре испытаний несколько десятков часов. Наилучший технический результат достигается при толщине керметного слоя (10-50) мкм. При снижении давления углеродсодержащего газа до 10^-2 и менее содержание карбидов в металлической матрице керметного слоя значительно уменьшается, и свойства покрытия становятся близки к свойствам обычного двухслойного покрытия ВСДП-8ВР + ВСДП-18. При увеличении давления более 5×10^-1 Па свойства покрытия также ухудшаются. Из-за избытка углеродсодержащего газа керметный слой приобретает рыхлую структуру, в которой могут присутствовать включения графита, что в совокупности может приводить к отслоению покрытия от основы в процессе проведения испытаний.

Аналогичные результаты были получены на образцах из сплавов ЖС36, ЖС55, ЖС32, ЖС6У, ЖС40, ЖС26.

Применение изобретения в производстве рабочих лопаток турбин позволит увеличить ресурс работы турбин высокого давления ГТД различного назначения в (1,5-2) раза, снизит потребность в дорогостоящих сложнолегированных сплавах.

1. Способ защиты лопаток газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы путем введения в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)×10^-1 Па.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина керметного слоя составляет 10-50 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего газа используют газообразные углеводороды или их смесь с инертным газом.