Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов



Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов
Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов
Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов
Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов
Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов
Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов

 


Владельцы патента RU 2469129:

Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Защита-Юг" (ООО НПП "Защита-Юг") (RU)

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 с получением хромоалитированного слоя, состоящего из β+у' - фаз, напыление на детали электронно-лучевым методом керамического слоя столбчатого строения состава ZrO2-8Y2O3, нанесение на него электронно-лучевым методом слоя плотного керамического покрытия состава: ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)81-(5-8)Hf толщиной 10-15 мкм, и проведение диффузионного отжига с формированием структуры покрытия, состоящего из [ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)Si-(5-8)Hf]-(ZrO2-8Y2O3)-β+y' - фазы. Покрытие обеспечивает повышение долговечности и надежности деталей двигателей, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления. 6 ил., 1 пр.

 

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, полученные 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 долговечность 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 эрозионностойких 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 повышает лишь эрозионную стойкость покрытия.

Наиболее близким техническим решением является способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов, включающий хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой путем закалки с получением хромоалитированного слоя, состоящего из β+γ' - фаз, напыление на детали электронно-лучевым методом керамического слоя столбчатого строения состава ZrO2-8Y2O3, нанесение на него электронно-лучевым методом плотного керамического слоя, содержащего ZrO2, Y2O3, Si толщиной 10-15 мкм, и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия (см.патент на изобретение RU №2402639С1, кл. С23С 28/00, опубл. 27.10.2010 г., бюл. №30, 3с.), 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 изменяющейся 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 с последующей термовакуумной обработкой путем закалки с получением хромоалитированного слоя, состоящего из β+γ' - фаз, напыление на детали электронно-лучевым методом керамического слоя столбчатого строения состава ZrO2-8Y2O3, нанесение на него электронно-лучевым методом плотного керамического слоя, содержащего ZrO2, Y2O3, Si, толщиной 10-15 мкм, и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия, наносят слой плотного керамического покрытия, дополнительно содержащий Al2O3 и Hf, следующего состава: ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)Si-(5-8)Hf, а диффузионный отжиг проводят с формированием структуры покрытия, состоящей из [ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)Si-(5-8)Hf]-(ZrO2-8Y2O3)-β+γ' - фазы.

Технический результат достигается за счет нового действия в нанесении комбинированного теплозащитного покрытия, а именно: нанесения слоя плотного керамического покрытия, дополнительно содержащего Al2O3 и Hf, следующего состава: ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)Si-(5-8)Hf.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ существенно отличается от известного тем, что на покрытие состава ZrO2-8Y2O3-β+γ' - фазы дополнительно электронно-лучевым методом наносят плотный слой керамики состава ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)Si-(5-8)Hf. Последующий диффузионный отжиг формирует окончательный состав, структуру и свойства комбинированного теплозащитного покрытия.

На фиг.1 приведена микроструктура поверхности керамического слоя (вид сбоку при 15° от горизонтали, увеличение 200).

На фиг.2 приведена микроструктура хромоалитированного слоя - β+γ' - фазы.

На фиг.3 приведена зависимость изменения удельной массы образцов с покрытиями при изотермической выдержке при температуре 1100°С.

На фиг.4 приведена зависимость числа циклов испытаний до появления первой трещины в покрытии от состава покрытия (цикл 1100↔20°С).

На фиг.5 приведена зависимость изменения долговечности покрытий при испытаниях на циклическую жаростойкость при 1100°С и сульфидную коррозию при 850°.

На фиг.6 приведена зависимость влияния состава слоя керамики на пластичность покрытия.

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 электроннолучевым методом наносили плотный слой керамики толщиной 10-15 мкм состава ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)Si-(5-8)Hf. Введение в керамику (20-25)Al2O3-(10-12)Si (мас.%) обеспечивает высокую жаростойкость, стойкость против сульфидной коррозии и пониженную кислородопроницаемостью керамической составляющей покрытия. Концентрации (20-25)Al2O3-(10-12)Si достаточны для формирования плотного керамического слоя в пределах ресурса покрытия. Повышение концентрации кремния выше 10-12% приводит к снижению пластичности покрытия с 1,2 до 0,37%. Введение (5-8) Hf повышает пластичность покрытия до 1,3% с одновременным повышением циклической долговечности покрытия. Превышение концентрации (5-8) Hf не оказывает существенного влияния на повышение эксплуатационных свойств покрытия.

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 рабочих лопаток турбин в связи с их высокой стоимостью и решающим влиянием их ресурса на ресурс ГТД в целом.

Способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов, включающий хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой путем закалки с получением хромоалитированного слоя, состоящего из β+у' - фаз, напыление на детали электронно-лучевым методом керамического слоя столбчатого строения состава ZrO2-8Y2O3, нанесение на него электронно-лучевым методом плотного керамического слоя, содержащего ZrO2, Y2O3, Si, толщиной 10-15 мкм, и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия, отличающийся тем, что наносят слой плотного керамического покрытия, дополнительно содержащий Аl2O3 и Hf следующего состава: ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)81-(5-8)Hf, а диффузионный отжиг проводят с формированием структуры покрытия, состоящей из [ZrO2-11Y2O3-(20-25)Al2O3-(10-12)Si-(5-8)Hf]-(ZrO2-8Y2O3)-β+у' - фазы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области упрочнения режущего твердосплавного инструмента и может быть использовано в машиностроении, в частности в технологии металлообработки.

Изобретение относится к антикоррозионным защитным покрытиям. .

Изобретение относится к оптимизированному твердому покрытию и заготовке, в частности режущему инструменту с нанесенным на него твердым покрытием, а также способу получения заготовки с покрытием, способу резания и способу получения обработанной заготовки.
Изобретение относится к металлургии и машиностроению, а именно к обработке режущего инструмента. .

Изобретение относится к системе теплоизоляционных слоев. .
Изобретение относится к области производства патронов стрелкового оружия различного назначения и предназначено для нанесения защитного полимерного покрытия на поверхность стальных гильз патронов стрелкового оружия.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электропроводному составу в форме хлопьевидных частиц. .

Изобретение относится к электрохимическим производствам, в частности к технологии изготовления электродов, применяемых при электролизе, в электромембранных процессах, а также в электрофорезе и электросинтезе.

Изобретение относится к производственному изделию и к способу защиты изделия от эрозионного и коррозионного воздействия, включающего повреждение от соударения с частицами в высокотемпературной среде.

Изобретение относится к химическим производствам, в частности к металлоксидному электроду, технологии его изготовления и применению в аналитической химии
Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к каталитическим оксидным покрытиям, а также к электрохимическим производствам, и может быть использовано при изготовлении электродных материалов

Настоящее изобретение относится к покрытому элементу, защитному покрытию, а также к способу получения этого покрытия и может быть использовано при изготовлении режущего инструмента, частей двигателей и газовых турбин. Указанное покрытие имеет химический состав CaSibBdNeOgHlMem, где Me представляет собой по меньшей мере один металл группы, состоящей из Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Та, W, Y, Sc, La, Ce, Nd, Pm, Sm, Pr, Mg, Co, Ni, Fe, Mn, причем (a+b+d+e+g+l+m)=1, где 0,45≤a≤0,98, 0,01≤b≤0,40, 0,01≤d≤0,30, 0≤e≤0,35, 0≤g≤0,20, 0≤1≤0,35, 0≤m≤0,20. Защитное покрытие обладает улучшенной стойкостью к высокотемпературному окислению и повышенным сопротивлением истиранию. 4 н. и 45 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл., 1 пр.

Изобретение относится к многослойным системам, создающим термический барьер. Подложка с покрытием, создающим термический барьер, содержит упомянутую подложку, упомянутое керамическое покрытие, выполненное из двух керамических слоев, при этом упомянутое покрытие имеет разные толщины на разных участках на упомянутой подложке. Между внутренним керамическим слоем и внешним керамическим слоем не имеется металлического слоя, причем упомянутое покрытие на упомянутой подложке имеет первую область и вторую область. Внешний слой толще, в частности, по меньшей мере, вдвое толще, на второй области, чем керамический слой на первой области на упомянутой подложке. Технический результат заключается в создании термического барьера с высоким сопротивлением тепловым и механическим напряжениям. 10 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.
Изобретение относится к области металлообработки, в частности к созданию покрытий для режущих инструментов. В двухслойном износостойком покрытии на рабочей части режущего инструмента верхний слой выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода толщиной 0,3-0,5 мкм и твердостью 70-100 ГПа, а нижний слой, расположенный на поверхности рабочей части инструмента, выполнен из карбида титана с содержанием углерода 30-45 ат.% толщиной 1-1,5 мкм и твердостью 25-40 ГПа. Обеспечивается высокая термическая стабильность покрытия при высоких скоростях резания и износостойкость инструмента, что позволяет повысить рабочий ресурс режущего инструмента. 1 табл.

Изобретение относится к области деталей с покрытием и их получению. Многослойное покрытие содержит по меньшей мере один слой типа А, причем слой типа А, по существу, состоит из (AlyCr1-y)X, где Х - один элемент группы, состоящей из N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO и CNBO, y описывает стехиометрический состав фракции металлической фазы, по меньшей мере один слой типа В, причем слой типа В, по существу, состоит из (AluCr1-u-v-wSivMew)X, где Х означает один элемент группы, состоящей из N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO или CNBO, причем Me обозначает один элемент группы, состоящей из W, Nb, Mo и Та, или смесь двух или более составляющих этой группы, u, v и w описывают стехиометрический состав фракции металлической фазы, причем отношение толщины указанного слоя типа А к толщине указанного слоя типа В больше 1. Способ получения детали с упомянутым многослойным покрытием, характеризующийся тем, что осаждают на указанную поверхность детали по меньшей мере один слой типа А и осаждают на указанную деталь по меньшей мере один слой типа В. Указанный по меньшей мере один слой типа А осаждают с использованием nx мишеней. Указанный по меньшей мере один слой типа В осаждают с использованием ny мишеней, причем одновременно используют nXy мишеней, используемых для осаждения слоя типа А, при этом nx, ny и nXy являются целыми числами ≥1, и по меньшей мере одна из указанных мишеней, используемых для осаждения слоя типа А, активна на обоих этапах а) и b). Получается многослойное покрытие, имеющее улучшенные износостойкость, механические и термические свойства, в частности твердость при высоких температурах и стойкость к окислению. 3 н.з. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к пластине для режущего инструмента, предназначенной для обточки закаленных и инструментальных сталей. Пластина для режущего инструмента содержит корпус из твердого сплава и покрытие. Твердый сплав, из которого выполнен корпус пластины, содержит WC, от 4,0 до 7,0 вес. % Со, предпочтительно от 4,5 до 6,0 вес. % Со, от 0,25 до 0,50 вес. % Cr, предпочтительно от 0,30 до 0,45 вес. % Cr, при этом величина S составляет от 0,68 до 0,88, предпочтительно от 0,7 до 0,8, а коэрцитивность, Нс, - от 28 до 38 кА/м, предпочтительно от 30 до 34 кА/м. Покрытие имеет толщину от 11 до 24 мкм и нанесено на корпус посредством CVD. По меньшей мере самый верхний слой покрытия представляет собой слой α-Al2O3 толщиной от 7 до 12 мкм, предпочтительно от 8 до 11 мкм, текстурированный в направлении <006> с текстурным коэффициентом ТС(006)>2, предпочтительно >4 и <8, одновременно, при этом все текстурные коэффициенты ТС(012), ТС(110), ТС(113), ТС(202), ТС(024) и ТС(116)<1, а TC(104) представляет собой второй наивысший текстурный коэффициент, причем ТС(hkl), определяется по следующей формуле: T C ( h k l ) = I ( h k l ) / I 0 ( h k l ) [ 1 / n ∑ n = 1 n I ( h k l ) / I 0 ( h k l ) ] − 1 , где I(hkl) - измеренная интенсивность отражения (hkl), I0(hkl) - стандартная интенсивность согласно JCPDS, карта № 46-1212, n - количество отражений, использованных в расчете, при этом использованные отражения (hkl) включают (012), (104), (110), (006), (113), (202), (024) и (116). Упомянутая пластина применяется в качестве пластины для обточки закаленных или инструментальных сталей с твердостью, составляющей от 40 HRC до 60 HRC, используемой во влажных и сухих условиях для глубины резания от 0,3 до 3 мм со скоростью резания от 70 до 250 м/мин и подачей от 0,1 до 0,6 мм/об. Изготовленная пластина для режущего инструмента имеет высокие значения стойкости к деформации, сопротивления износу и вязкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для создания износостойких покрытий на рабочих поверхностях осевых режущих инструментов за счет увеличения стойкости инструментов и ресурса работы инструментов, который достигается многократностью переточек. Осуществляют наплавку на задние поверхности осевых режущих инструментов слоя твердого сплава методом электроискрового легирования, при котором создают слой из карбида титана или вольфрама, или борида титана или вольфрама с кобальтовой или никелевой связкой толщиной 80-90 мкм. Проводят заточку задних поверхностей инструмента с припуском на обработку 20-30 мкм и шероховатостью Ra 0,8 мкм и дополнительно наносят методом финишного плазменного упрочнения алмазоподобное покрытие на основе оксикарбонитрида кремния толщиной 1,5-2 мкм твердостью 53-54 ГПа. Обеспечивается увеличение стойкости инструмента и ресурса его работы. 1 табл., 12 пр.

Изобретение относится к алмазным инструментам, на поверхности корпуса которых методом электрохимического осаждения нанесен металлический связующий материал, содержащий алмазные зерна. Алмазный гальванический инструмент с износостойким покрытием содержит корпус с закрепленными на нем при помощи гальванической связки алмазными зернами и износостойкое покрытие, нанесенное на гальваническую связку методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Упомянутый инструмент содержит промежуточный слой толщиной 0,5-3,0 мкм, нанесенный методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) и расположенный между гальванической связкой и износостойким покрытием. Слой износостойкого покрытия имеет толщину 0,5-6,0 мкм и выполнен из материала, выбранного из группы нитридов, карбидов или карбонитридов Ti, Zr, Hf, Al или их соединений. Промежуточный слой выполнен из материала, выбранного группы карбидов и карбонитридов Ti, Zr, Al или их соединений. Обеспечивается увеличение срока службы инструмента за счет улучшения адгезии износостойкого покрытия с рабочей поверхностью гальванического инструмента. 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к диффузионному поверхностному легированию металлических материалов и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента. Способ поверхностного упрочнения металлических изделий включает нанесение на поверхность изделия слоя жидкого или гелеобразного электропроводного адгезионного материала, а затем слоя порошка материала, содержащего легирующий элемент, или нанесение смеси этих компонентов. Затем осуществляют размещение металлического изделия в контейнере, заполненном порошком каменного угля, и нагрев изделия пропусканием электрического тока с использованием в качестве электродов упомянутого контейнера и металлического изделия. В частном случае осуществления изобретения в качестве адгезионного материала используют материал, который при нагреве не выделяет продуктов, препятствующих диффузии легирующих элементов в поверхность изделия. Обеспечивается упрочнение поверхности металлического изделия за счет формирования высокотвердого легированного слоя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.
Наверх