Способ нанесения уплотнительного покрытия
Владельцы патента RU 2299126:
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ПЕРМСКИЙ МОТОРНЫЙ ЗАВОД" (RU)
Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для нанесения высокотемпературных уплотнительных покрытий для газотурбинных двигателей. Выполняют армирующий слой в виде сетки тканого типа, нижние гребни сетки закрепляют на поверхности детали, на верхних гребнях сетки перпендикулярно поверхности детали закрепляют проволоку и обрезают проволоку на высоте, равной или меньше толщины уплотнительного покрытия. Материал сетки и проволоки выбирают близким по химическому составу к химическому составу материала детали. Уплотнительное покрытие наносят в виде шликера с влажностью 28-32% при следующем соотношении компонентов, мас.%: двуокись циркония, стабилизированная 7% оксида иттрия, фракции 100-250 мкм - 10-15, нитрид бора фракции 450-630 мкм - 15-25, нихромовое волокно длиной 3-5 мм - 9-12, двуокись циркония, стабилизированная 7% оксида иттрия, активированной пылевидной фракции - остальное. Затем проводят сушку и горячее прессование уплотнительного покрытия в вакууме при нагреве до температуры 1100°С. Повышается адгезия и когезия керамического покрытия с металлом детали. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для нанесения высокотемпературных уплотнительных покрытий для газотурбинных двигателей.
Для увеличения толщины оксидных покрытий весьма эффективным является создание многослойных конструкций: трехслойные и более. Внешний слой - керамика; подслой на металлической основе, а между подслоем и керамикой градиентные слои с переменным содержанием компонентов подслоя и керамики. (Kvernes I. Ceramic coatings as thermal barriers in diesel and gas turbine engine components // High. Tech. Ceram. Proc. World Congr. 6-th Int. Meet. Mod. Ceram. TechnoL, Milan, 1986. Amsterdam e.a., 1987. P.2519-2536).
Недостатком является низкая адгезия керамического покрытия с металлической основой при работе изделий в условиях термоциклирования и высоких температур.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения уплотнительного покрытия, включающий выполнение армирующего слоя, закрепление его на поверхности детали, нанесение уплотнительного покрытия на поверхность детали с армирующим слоем и нагрев (патент СССР №843730, С04С 37/02, 1977).
Недостатком является низкая когезия и адгезия керамического покрытия с металлической основой при работе в условиях высоких температур и термоциклирования.
Задача изобретения - повысить адгезию керамического покрытия с металлической основой и когезию керамического уплотнительного покрытия.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения уплотнительного покрытия, включающем выполнение армирующего слоя, закрепление его на поверхности детали, нанесение уплотнительного покрытия на поверхность детали с армирующим слоем и нагрев, армирующий слой выполняют в виде сетки тканого типа, нижние гребни сетки закрепляют на поверхности детали, на верхних гребнях сетки, перпендикулярно поверхности детали, закрепляют проволоку, причем материал сетки и проволоки выбирают близким по химическому составу к химическому составу материалу детали, обрезают проволоку на высоте, равной или меньше толщины уплотнительного покрытия, уплотнительное покрытие наносят в виде шликера с влажностью 28-32% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| двуокись циркония, стабилизированная | |
| 7% оксидом иттрия, фракции 100-250 мкм | 10-15 |
| нитрид бора, фракции 450-630 мкм | 15-25 |
| нихромовое волокно, длина 3-5 мм | 9-12 |
| двуокись циркония, стабилизированная | |
| 7% оксидом иттрия, активированной пылевидной фракции | - остальное, |
затем проводят сушку и горячее прессование уплотнительного покрытия в вакууме при нагреве до температуры 1100°С.
На верхних гребнях сетки, перпендикулярно поверхности детали, проволоку закрепляют скруткой.
Уплотнительные толстослойные керамические покрытия на металлах, как правило, отличаются низкой термической стойкостью ввиду того, что при нагреве на границе «основа - покрытие» возникают значительные термические напряжения. Низкая пластичность керамики не способствует релаксации этих напряжений, а ведет к образованию трещин на границе керамики с основой. Слабая адгезия керамического покрытия с металлической основой практически не препятствует распространению трещин на границе между ними.
Для повышения адзегии применяют несколько способов. Известен способ, при котором на основной металл наносят грунтовку, а затем покрытие. Изделие подвергают термообработке (патент США №3837894, С23С, 7/00, 1974; заявка Японии 56-21832, С23С 7/00, 1975; заявка Великобритании №2007263, С23С 7/00, 1979). Известен способ нанесения уплотнительного покрытия, включающий нанесение уплотнительного покрытия на поверхность детали и нагрев детали, причем локальный нагрев проводят в местах наибольших внутренних напряжений уплотнительного покрытия до температуры металлических составляющих уплотнительного покрытия на границе раздела основной металл - уплотнительное покрытие (патент РФ №2177050, С23С 14/58, 1998). Недостатком известных решений является возможность появления термических напряжений.
Для получения керамических покрытий на основе двуокиси циркония, как правило, требуется температура 1500-1700°С. Однако такие условия неприемлемы в тех случаях, когда керамика используется в комбинации с жаропрочными сплавами на никелевой основе. Предельная температура нагрева жаропрочных сплавов на никелевой основе не должна превышать 1100°С, поскольку при более высоких температурах идет растворение упрочняющей фазы и разупрочнение сплава. Для снижения температуры формирования керамического покрытия проводили активирование порошка двуокиси циркония, стабилизированного 7% оксидом иттрия, путем длительного его измельчения в шаровой мельнице при ограниченном содержании водяной фазы.
Недостатком известных решений является невозможность получения керамических покрытий с толщиной слоя до 2-3 мм. При использовании прокладки BRUNSBOND толщина керамического слоя доходит до 1-1,5 мм. При большей толщине ввиду слабой когезии покрытия и значительных по величине напряжений, в процессе термоциклирования происходит растрескивание и отслоение отдельных частей покрытия.
Нанесение керамического слоя на металлическую основу с предварительно прикрепленной сеткой, а также армирование покрытия металлическим волокном увеличивает адгезионные и когезионных характеристики покрытия, а также способствует перераспределению возникающих термических напряжений с границы «покрытие - основа» на всю толщину керамического слоя. Удается получить уплотнительные керамические покрытия толщиной до 2-3 мм, длительно работающих при термоциклировании.
Способ осуществляют следующим образом.
На детали из никелевого сплава закрепляют сетку тканого типа. Нижние гребни сетки закрепляют на поверхности детали, на верхних гребнях сетки, перпендикулярно поверхности детали, закрепляют проволоку, например скруткой. Сетка и проволока выполнены из материала, близкого по химическому составу к химическому составу детали. Диаметр сетки и проволоки одинаков. Обрезают проволоку на высоту, не превышающую толщину уплотнительного покрытия. В состав керамического покрытия, содержащего двуокись циркония, стабилизированную 7% оксидом иттрия, входит нитрид бора, никель и хром, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| двуокись циркония фракции 100-250 мкм | 10-15 |
| нитрид бора фракции 450-630 мкм | 15-25 |
| нихромовое волокно, длина 3-5 мм | 9-12 |
| двуокись циркония активированной пылевидной фракции | - остальное. |
Массу шликера тщательно перемешивают и доводят до влажности 28-32%. Готовую массу керамического покрытия наносят на сетку, сушат и прессуют в вакууме при температуре 1100°С. В пористой структуре покрытия образуются связи между сеткой и частицами металлического волокна, происходит армирование керамического покрытия.
Пример реализации способа. На поверхность детали из сплава ВЖ-98 наложили сетку тканого типа из нихромовой проволоки. Нижние гребни сетки сваркой закрепили на поверхности детали, на верхних гребнях сетки, перпендикулярно поверхности детали, закрепляют проволоку сваркой или скруткой. Материал сетки и проволоки близок по химическому составу к химическому составу материалу детали. Обрезали нихромовую проволоку на высоту толщины уплотнительного покрытия 2-2,5 мм.
Для получения высокотемпературного толстослойного уплотнительного покрытия готовили основу шликера - измельчали в шаровой мельнице порошок ZrO2 - 7%Y2O3 в водной среде в течение 4-8 час. В шликер ввели крупнодисперсные порошки ZrO2 - 7%Y2O3 фракции 100-250 мкм, нитрида бора фракции 450-630 мкм и металлическое волокно (нихром), длина 3-5 мм. Шликер перемешивали и доводили до влажности 28-32%. Шликер наносили на подготовленную поверхность детали. Покрытие сушили и прессовали в вакууме при нагреве до 1100°С.
Были получены покрытия толщиной от 2,0 до 2,6 мм. Проведены испытания покрытий в условиях термоциклирования: нагрев от 20 до 1000°С за 15 минут, охлаждение от 1000 до 20°С за 15 мин. Результаты испытаний представлены в таблице.
| Таблица | ||||||||
| № п/п | Время помола, час | ZrO2-7%Y2О30 крупность 100-250 мкм | BN крупность 450-630 мкм | Ni-Cr | Влажность шликера, % | Количество термоциклов | Толщина керамического покрытия, мм | |
| мас.% | мас.% | Длина, мм | мас.% | |||||
| 1 | 4 | 10 | 15 | 5 | 9 | 28 | >100 | 2,5 |
| 2 | 4 | 10 | 15 | 5 | 9 | 30 | >100 | 2,1 |
| n | 4 | 10 | 15 | 3 | 9 | 30 | >100 | 2,5 |
| 4 | 4 | 15 | 15 | 5 | 9 | 30 | >100 | 2,6 |
| 5 | 8 | 15 | 15 | 5 | 9 | 30 | >100 | 2,2 |
| 6 | 4 | 10 | 25 | 5 | 9 | 30 | >100 | 2,4 |
| 7 | 4 | 10 | 25 | 3 | 9 | 30 | >100 | 2,0 |
| 8 | 4 | 10 | 25 | 5 | 12 | 32 | >100 | 2,3 |
| Прототип | 23 | 0,9 |
1. Способ получения уплотнительного покрытия, включающий выполнение армирующего слоя, закрепление его на поверхности детали, нанесение уплотнительного покрытия на поверхность детали с армирующим слоем и нагрев, отличающийся тем, что армирующий слой выполняют в виде сетки тканого типа, нижние гребни сетки закрепляют на поверхности детали, на верхних гребнях сетки перпендикулярно поверхности детали закрепляют проволоку, причем материал сетки и проволоки выбирают близким по химическому составу к химическому составу материала детали, обрезают проволоку на высоте, равной или меньше толщины уплотнительного покрытия, уплотнительное покрытие наносят в виде шликера с влажностью 28-32% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Двуокись циркония, стабилизированная | |
| 7% оксида иттрия, фракции 100-250 мкм | 10-15 |
| Нитрид бора фракции 450-630 мкм | 15-25 |
| Нихромовое волокно длиной 3-5 мм | 9-12 |
| Двуокись циркония, стабилизированная | |
| 7% оксида иттрия, активированной | |
| пылевидной фракции | Остальное |
затем проводят сушку и горячее прессование уплотнительного покрытия в вакууме при нагреве до температуры 1100°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на верхних гребнях сетки перпендикулярно поверхности детали проволоку закрепляют скруткой.
