Высокотемпературное покрытие
Владельцы патента RU 2427559:
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к авиационной технике и машиностроению и может быть использовано в качестве защиты от окисления керамических композиционных материалов для деталей горячего тракта перспективных газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД) транспортных систем и энергомашиностроения, эксплуатирующихся в условиях воздействия окислительных сред и продуктов сгорания топлива при температурах до 1600°С. Высокотемпературное покрытие имеет следующий химический состав, мас.%: кремний 10-14, бор 3-7, оксид гафния 50-60, борид гафния 12-19, карбид бора 8-14. Технический результат изобретения - увеличение термостойкости и жаростойкости покрытия при рабочей температуре 1600°С в течение длительного времени (более 100 ч), позволяющее повысить ресурс и надежность эксплуатации изделий авиационной техники в 1,5-2 раза в условиях воздействия окислительных сред и продуктов сгорания топлива при температурах до 1600°С. 2 табл.
Изобретение относится к авиационной технике и машиностроению и может быть использовано в для защиты от окисления керамических композиционных материалов для деталей горячего тракта перспективных газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД) транспортных систем и энергомашиностроения, эксплуатирующихся в условиях воздействия окислительных сред и продуктов сгорания топлива при температурах до 1600°C
Известно высокотемпературное покрытие следующего химического состава, мас.%:
| Кремний | 25-40 |
| Карбид кремния | 50-70 |
| Бор | 1-15 (патент США №4465777) |
Известно также высокотемпературное покрытие следующего химического состава, мас.%:
| Дисилицид молибдена | 63-75 |
| Кремний | 10-25 |
| Хром | 5-10 |
| Бор | 3-5 (А.с. СССР №464568) |
Недостатком этих покрытий является низкая стойкость к окислению при температурах выше 1300°C - 1350°C.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является высокотемпературное покрытие следующего химического состава, мас.%:
| Кремний | 6-9 |
| Бор | 2-5 |
| Оксид гафния | 63-68 |
| Борид гафния | 8-12 |
| Пятиокись тантала | 12-17 (патент РФ №2189368) |
Недостатком покрытия-прототипа является недостаточная термостойкость и жаростойкость (убыль массы) в условиях длительной эксплуатации при температуре 1600°C на воздухе.
Вследствие высокой тугоплавкости покрытия-прототипа при температуре 1600°C замедляется интенсивность процессов образования стеклофазы, смачивающей защищаемую подложку, синтез которой связан с наличием в составе бор - и кремнийсодержащих компонентов (Si, B, HfB2), и твердых растворов внедрения переменного состава в системе HfO2 - HfSiO4 - Ta2O5, что ухудшает жаростойкость покрытия при длительной эксплуатации, приводя к его несплошностям.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение термостойкости и жаростойкости покрытия при рабочей температуре 1600°C в течение длительного времени (более 100 ч).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено высокотемпературное покрытие, содержащее кремний, бор, оксид гафния, борид гафния, которое дополнительно содержит карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Кремний | 10-14 |
| Бор | 3-7 |
| Оксид гафния | 50-60 |
| Борид гафния | 12-19 |
| Карбид бора | 8-14 |
Авторами установлено, что введение карбида бора при заявленных соотношениях и содержании компонентов позволяет повысить термостойкость и жаростойкость покрытия при температуре 1600°C в окислительной среде за счет образования достаточного количества защитной стекловидной фазы переменного состава в системе «высококремнеземное стекло - HfO2 - HfSiO4», которая обеспечивает самозалечивание возможных микротрещин, предотвращая диффузию кислорода в объем материала, тем самым препятствуя его окислению, и обладает способностью к релаксации термоупругих напряжений в покрытии.
Примеры осуществления
Для получения покрытий были приготовлены 3 композиции, соотношение компонентов в которых приведено в таблице 1. Компоненты покрытий в виде дисперсных частиц соответствующих химических соединений помещались в фарфоровый барабан с алундовыми шарами. Смесь загружали в указанных соотношениях не более чем на 3/4 объема барабана, в котором она перемешивалась в течение 48 ч.
Высокотемпературное покрытие на образцы керамического композиционного материала наносили напылением. Образцы подвергали сушке в термошкафу при температуре 80°C. Формирование покрытия осуществляли в печи с силитовыми нагревателями при температуре 1330-1350°C в течение 20-30 минут.
Образцы керамического композиционного материала с покрытиями испытывали на термостойкость при температуре 1600°C в течение 30 циклов по 10 мин каждый по режиму 1600↔20°C, охлаждение на воздухе и жаростойкость в течение 300 часов каждый при температуре 1600°C. Антиокислительное действие образцов с покрытием после испытаний определялось по убыли массы в мас.%. Результаты исследований представлены в таблице 2.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что антиокислительное действие предлагаемого покрытия на образцах керамического композиционного материала при использовании значительно возрастает, термостойкость предлагаемого покрытия в 1,5 раза выше, чем у покрытия-прототипа, вследствие наличия достаточного количества вязкой стеклофазы. Привес массы предлагаемых составов защитного покрытия при испытании на жаростойкость также подтверждает образование достаточного количества защитной стеклофазы с внутренним эффектом самозалечивания, предотвращающей диффузию кислорода воздуха вглубь образца и препятствующей окислению керамического композиционного материала. Жаростойкость предлагаемого покрытия, в мас.%: 100 часов 0,5-0,8; 200 часов 0,8-1,1; 300 часов 1,1-1,5; в то же время у покрытия-прототипа наблюдается убыль массы и разрушение после 300 часов испытания.
Применение предлагаемого высокотемпературного покрытия с повышенной термостойкостью и жаростойкостью позволит обеспечить работоспособность узлов и деталей из керамических композиционных материалов и повысить ресурс и надежность эксплуатации изделий авиационной техники в 1,5-2 раза в условиях воздействия окислительных сред и продуктов сгорания топлива при температурах до 1600°C.
Предлагаемое высокотемпературное покрытие - экологически чистое, пожаровзрывобезопасное.
| Таблица 1 | ||||
| Компоненты покрытия | Предлагаемое покрытие | Покрытие-прототип | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Si | 14 | 13 | 10 | 7 |
| B | 7 | 6 | 3 | 4 |
| HfO2 | 53 | 50 | 60 | 66 |
| HfB2 | 12 | 18 | 19 | 10 |
| Ta2O5 | - | - | - | 13 |
| B4C | 14 | 13 | 8 | - |
| Таблица 2 | |||||
| № п/п | Параметры испытаний образцов с покрытием | ||||
| термостойкость, 1600°С↔20°C, охлаждение на воздухе | жаростойкость, мас.%, (убыль массы образцов с покрытием) 1600°C | ||||
| Кол-во циклов, 1ц - 10 мин | Внешний вид покрытий после испытаний (наличие дефектов) | 100 ч | 200 ч | 300 ч | |
| 1 | 30 | Микротрещины на поверхности | 0,5 | 0,8 | 1,1 |
| 2 | 30 | Дефектов нет | 0,7 | 1,0 | 1,4 |
| 3 | 30 | Дефектов нет | 0,8 | 1,1 | 1,5 |
| Покрытие-прототип | 20 | Разрушение покрытия | -3,7 | -5,9 | -9,8 разрушение покрытия |
Высокотемпературное покрытие, содержащее кремний, бор, оксид гафния, борид гафния, отличающееся тем, что дополнительно содержит карбид бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Кремний | 10-14 |
| Бор | 3-7 |
| Оксид гафния | 50-60 |
| Борид гафния | 12-19 |
| Карбид бора | 8-14 |
