Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов

Изобретение относится к получению комбинированных покрытий для защиты от окисления при высокой температуре металлических материалов, в частности для защиты деталей двигателей от газовой и сульфидной коррозии. Способ включает хромоалитирование в порошковой смеси, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ на детали электронно-лучевым методом и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия. Перед диффузионным отжигом на слой керамики ZrO₂-8Y₂O₃ электронно-лучевым методом наносят слой керамики ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si толщиной 10-15 мкм. Диффузионный отжиг проводят с формированием покрытия, состоящего из [ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si]-(ZrO₂-8Y₂O₃)-β+γ'-фазы. Получается покрытие, обеспечивающее повышение долговечности и надежности деталей двигателей, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления. 3 ил.

 

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, полученных 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 недолговечность 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 (ZrO₂-7Y₂O₃) 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-Y₂O₃ (патент на изобретение РФ №2280095, опубл. 20.07.2006 г., бюл. №20).

Для нанесения покрытия используют порошок ZrO₂+(2-5)%Y₂O₃+(3-4)%YbO₃ (патент Японии 61-41757).

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

Известен способ получения эрозионно-стойких 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 повышают лишь эрозионную стойкость покрытия.

Наиболее близким техническим решением является способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин, включающий хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси, термовакуумную обработку путем закалки, после чего производят электронно-лучевое напыление на входные кромки лопаток слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ и последующего диффузионного отжига для окончательного формирования покрытия (см. патент на изобретение РФ №2272089, кл. С23С 28/00, опубл. 20.03.2006 г., бюл. №8), 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 изменяющимся 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, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ на детали электронно-лучевым методом и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия, перед диффузионным отжигом на слой керамики (ZrO₂-8Y₂O₃) электронно-лучевым методом наносят слой керамики [ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si] толщиной 10-15 мкм, а диффузионный отжиг проводят с формированием покрытия, состоящего из [ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si]-(ZrO₂-8Y₂O₃)-β+γ′-фазы.

Технический результат достигается за счет нового действия в нанесении комбинированного теплозащитного покрытия, а именно: нанесения электронно-лучевым методом на детали с керамическим слоем столбчатого строения состава ZrO₂-8Y₂O₃ плотного слоя керамики [ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si].

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ существенно отличается от известного тем, что на покрытие состава ZrO₂-8Y₂O₃-β+γ′-фаза дополнительно электронно-лучевым методом наносят плотный слой керамики состава ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si. Последующий диффузионный отжиг формирует окончательный состав, структуру и свойства комбинированного теплозащитного покрытия.

На фиг.1 приведена зависимость изменения удельной массы образцов с покрытиями при изотермической выдержке при температуре 1100°С.

На фиг.2 приведена зависимость числа циклов испытаний до появления первой трещины в покрытии от состава покрытия.

На фиг.3 приведена микроструктура поверхности керамического слоя с добавками на основе кремния (вид сбоку при 15° от горизонтали, увеличение 2000).

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 ZrO₂-8Y₂O₃ столбчатой структуры. На слой покрытия ZrO₂-8Y₂O₃ электронно-лучевым методом наносили плотный слой керамики толщиной 10-15 мкм состава ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si. 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 и сульфидной коррозии деталей из жаропрочных сплавов в связи с их высокой стоимостью и решающим влиянием их ресурса на ресурс изделий в целом.

Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов, включающий хромоалитирование в порошковой смеси, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ на детали электронно-лучевым методом и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия, отличающийся тем, что перед диффузионным отжигом на слой керамики ZrO₂-8Y₂O₃ электронно-лучевым методом наносят слой керамики ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si толщиной 10-15 мкм, а диффузионный отжиг проводят с формированием покрытия, состоящего из [ZrO₂-11Y₂O₃-(12-25)Si]-(ZrO₂-8Y₂O₃)-β+γ′-фазы.