Жаростойкое металлокерамическое покрытие

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено при изготовлении жаростойких деталей, используемых, например, в устройствах для термического нанесения покрытий или в газовых турбинах. Рабочую поверхность детали покрывают чередующимися слоями из жаростойкого и жаропрочного металлокерамического материала, представляющего собой слои тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла. Компенсационные слои выполняют из тех же металлов, окислы которых составляют основу тугоплавких металлокерамических слоев. Состав компонентов подбирается таким образом, чтобы коэффициент термического растяжения внутреннего слоя отличался от коэффициента термического растяжения покрываемого металла не более чем на 15%. Изобретение обеспечивает увеличение стойкости рабочей поверхности деталей, подверженных ударно-термическому воздействию струи газа. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено при изготовлении жаростойких деталей, используемых, например, в устройствах для термического нанесения покрытий или в газовых турбинах.

Известно устройство для термического напыления покрытий на внутренние поверхности отверстий деталей, описанное в изобретении по патенту США №5439714, приоритет от 13.07.1993 г., в котором перед распыляющим соплом размещают отражающий элемент, имеющий наклонную поверхность для направления струи с распыляемым материалом на внутреннюю поверхность обрабатываемого отверстия.

При интенсивной эксплуатации отражающего элемента в условиях массового производства из-за воздействия высокотемпературной струи газа с расплавленным металлом происходит износ и изменение геометрии его рабочей поверхности, а также налипание на нее частиц напыляемого материала, что в свою очередь приводит к снижению качества наносимого покрытия. По этой причине возникает необходимость частой замены отражающего элемента.

Также известны металлокерамические покрытия, состоящие из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластического материала, например, Демиденко Л.М. Высокоогнеупорные композиционные покрытия, Москва, Металлургия, 1979 г., с.6.

При этом различие в коэффициентах термического расширения чередующихся слоев покрытия вызывает его преждевременное разрушение, что не позволяет достаточно долго эксплуатировать покрытые термостойким слоем детали.

Задачей изобретения является увеличение стойкости рабочей поверхности деталей, подверженных ударно-термическому воздействию струи газа.

Поставленная задача решается тем, что на рабочую поверхность детали наносят ионно-плазменным способом слоистое жаростойкое и жаропрочное металлокерамическое покрытие, состоящее из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, имеющих наибольшее сродство к кислороду, например, иттрия, хрома и алюминия, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, при этом состав компонентов покрытия подбирают таким образом, что коэффициент термического растяжения внутреннего слоя отличается от коэффициента термического растяжения покрываемого металла не более чем на 15%.

При этом компенсационные слои выполнены из тех же металлов, чьи окислы используют в качестве жаропрочного и жаростойкого элемента металлокерамики, и (кроме своего основного предназначения - ударной компенсации всего покрытия) также служат в качестве подпитывающего материала для самовосстановления поврежденного слоя металлокерамики.

Повышенный ресурс металлокерамических композиционных покрытий обеспечивается процессом самовосстановления защитных керамических свойств поверхности путем насыщения ее кислородом в процессе высокотемпературной эксплуатации. Реакции превращения металлических подпитывающих слоев в керамику протекают на границе слоев металл-керамика. Таким образом, высокая температура и горючие газы, имеющие низкое содержание кислорода, являются самовосстанавливающим фактором, т.е. эксплуатационная среда сама формирует защитное жаропрочное покрытие. При этом эффект самовосстановления, из-за наличия высоких защитных свойств композиционного покрытия против насыщения жаропрочного сплава азотом, проявляется без его охрупчивания.

Стальная деталь (отражающий элемент), подвергаемая ударно-термическому воздействию напыляющей струи газа, имеющая жаростойкое покрытие, состоящее из четырех слоев металлокерамики, представляющей собой смесь окислов иттрия и хрома, а также карбидов хрома, разделенных между собой компенсационными слоями иттрия, была использована в устройстве для нанесения упрочняющего покрытия на внутреннюю поверхность цилиндров двигателя внутреннего сгорания. При этом толщина каждого слоя металлокерамики составляла 15 мкм, а толщина компенсационных слоев - от 2 до 3 мкм. Коэффициент термического растяжения внутреннего слоя металлокерамики отличался от коэффициента термического растяжения покрываемого металла - стали на 12%. Твердость покрытия составила 9 ГПа.

Внутрь отверстий блока цилиндров помещали соосно с напыляемым отверстием отражающий элемент и производили газотермическое напыление внутренних поверхностей цилиндров при температуре 1300°С. В процессе нанесения покрытия непрерывно в течение 0,5 часа налипания частиц на поверхность отражающего элемента не наблюдалось совсем. Общий срок службы стальной детали с покрытием при чистоте поверхности R_a 0,32 составил 110 часов, без покрытия - только 4,5 часа. При этом качество обработки внутренних поверхностей отверстий блока цилиндров было задано одинаковым для обоих случаев. Аналогичная деталь, выполненная из фторопласта, быстро эродировала, происходило лавинообразное налипание частиц напыляемого материала, в результате чего также снижалось качество покрытия цилиндров. Общий срок службы отражающего элемента из фторопласта составил 6 часов.

Таким образом, проведенные испытания подтвердили существенное (по меньшей мере, в 18 раз) увеличение срока службы детали, подвергаемой ударно-термическому воздействию струи газа при сохранении ее основных геометрических характеристик.

1. Жаростойкое металлокерамическое покрытие, состоящее из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, отличающееся тем, что компенсационные слои выполнены из тех же металлов, окислы которых составляют основу тугоплавких металлокерамических слоев.

2. Покрытие по п.1, в котором состав компонентов металлокерамики подбирают таким образом, что коэффициент термического растяжения внутреннего слоя окислов металлов отличается от коэффициента термического растяжения покрываемого металла не более чем на 15%.