Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий



 


Владельцы патента RU 2534714:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Техномаш" (RU)

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий включает плазменное напыление подслоя нихрома и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50÷80 мас.% диоксида циркония и 50÷20 мас.% порошка никеля, плакированного алюминием, дисперсностью 63÷125 мкм. Керметную композицию подают в плазменную струю под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности. Используют порошок диоксида циркония, содержащий в качестве стабилизирующей добавки 8÷12 мас.% оксида иттрия. Обеспечивается повышение в 1,5-2 раза адгезионной стойкости покрытия. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для защиты теплонагруженных узлов и элементов конструкции двигательных установок, том числе камер сгорания (КС) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), от теплового и эрозионного разрушения в струе высокотемпературных продуктов сгорания топлива путем нанесения методом плазменного напыления эрозионностойких теплозащитных покрытий (ЭТЗП).

Одной из актуальных задач, связанных с повышением работоспособности плазменных теплозащитных покрытий, является задача увеличения их адгезионной прочности и термостойкости, что обеспечивает работоспособность теплонапряженных узлов в условиях многоразового воздействия высокотемпературных газовых потоков продуктов сгорания топлива.

Известен способ получения ЭТЗП с повышенными значениями отрывной прочности и термостойкости (см. «Порошковая металлургия и напыленные покрытия». Под редакцией Б.О. Митина, М.: Металлургия, 1987 г., стр.560), в котором повышение технических характеристик плазменных покрытий достигается за счет добавок в покрытие пластичного материала, например нихрома, и использование между основой и покрытием переходных слоев, имеющих переменное, уменьшающееся от подложки к основному покрытию содержание пластичной добавки. Такими слоями, например, могут быть:

- 1-й слой 95-65% вес. NiCr ÷ 5÷35% вес. ZrO2;

- 2-й слой 65-35% вес. NiCr ÷ 35÷65% вес. ZrO2;

- 3-й слой 5-35% вес. NiCr ÷ 95÷65% вес. ZrO2.

Таким образом, в данном способе реализуется решение по созданию зоны фазового перехода от подложки к покрытию.

Описанный способ позволяет повысить адгезионную прочность ЭТЗП до величины σA≈7,0÷8,0 МПа и получить термостойкость n≈8÷10 циклов. Недостатком способа является то, что приведенные характеристики не обеспечивают работоспособность в условиях воздействия высокотемпературных газовых потоков КС ЖРД перспективных образцов ракетной техники. Недостатком способа также являются значительные трудности в обеспечении стабильности и воспроизводимости нанесения многослойных покрытий на сложные внутренние поверхности КС ракетных двигателей. Кроме того, нанесение покрытий за несколько проходов нетехнологично и ухудшает когезионные характеристики пакета теплозащитного покрытия в целом.

Известен также способ получения ЭТЗП (см. патент РФ на изобретение №2283363), принятый за прототип, в котором повышение характеристик плазменных покрытий достигается за счет напыления подслоя нихрома и керметной композиции, содержащей 50÷80 масс.% диоксида циркония и 50÷20 масс.% нихрома, при этом керметную композицию готовят из порошков диоксида циркония и нихрома с размером частиц 10÷40 мкм и 40÷100 мкм соответственно, а ее подачу в плазменную струю осуществляют под срез сопла плазматрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, при этом в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид кальция, содержание которого составляет величину 4÷6% масс.

Данный способ позволяет за один проход формировать зону фазового перехода от металлического подслоя к исходному составу ЭТЗП и, как следствие, повысить адгезионную прочность теплозащитных покрытий и их термостойкость до средних значений σA≈12,0÷17,0 МПа и n≈0÷30 циклов.

Приведенные характеристики ЭТЗП достигаются при подводимой к плазмотрону мощности N≈32÷34 кВт, дистанции напыления L≈(100±10) мм и угле напыления θ≈(90±5)°.

Недостатком способа является то, что в случае нанесения ЭТЗП на КС перспективных ЖРД, имеющих малый диаметр критического сечения, необходимо снижать подводимую к плазменному распылителю мощность, увеличивать дистанцию напыления при малых углах оси плазменной струи к напыляемой поверхности, что приводит к снижению степени проплавления порошковых частиц композиционных смесей, уменьшению их кинетической энергии и, как следствие, к снижению уровня свойств ЭТЗП в целом.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение характеристик плазменных ЭТЗП, формируемых из механических керметных смесей методом плазменного напыления при пониженных значениях энтальпии плазменной струи, при увеличенной дистанции напыления под малыми углами.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем плазменное напыление подслоя нихрома и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50÷80 масс.% диоксида циркония и 50÷20 масс.% никельсодержащего материала, подачу которой в плазменную струю осуществляют под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, согласно изобретению в качестве никельсодержащей металлической составляющей керметной композиции используют порошок никеля, плакированный алюминием с содержанием алюминия 10÷15 масс.% дисперсностью 63÷125 мкм, при этом в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия, содержание которого составляет величину 8÷12 масс.%.

Разработанный способ получения покрытий обеспечивает повышение характеристик ЭТЗП за счет дополнительного выделения тепла в пятне напыления в ходе экзотермической реакции образования алюминидов NiAl, Ni3Al:

Полнота протекания реакций (1) и (2) зависит от температуры и времени нахождения напыляемых частиц в реакционном состоянии. Максимальный тепловой эффект реакций достигается в диапазоне температур от 600 до 800°C и зависит от способа изготовления композиционного порошка.

Энтальпия напыляемых частиц при завершении реакции может достигать 150÷300 кДж/моль, что позволяет значительно повысить адгезионные и когезионные характеристики ЭТЗП.

Сущность заявленного способа поясняется таблицей, в которой приведены характеристики ЭТЗП.

Сущность заявленного способа будет ясна из приведенного ниже примера.

Пример

На образцы из медного сплава БрХ08 наносили методом плазменного напыления покрытия, состоящие из нихромового подслоя и кермета. Кермет готовили двух составов: 80 масс.% ZrO2+20 масс.% (Ni-Al) и 50 масс.% ZrO2+50 масс.% (Ni-Al).

Использовали порошок диоксида циркония грануляцией 10-40 мкм, стабилизированный 8÷12 масс.% оксида иттрия (Y2O3), и порошок никеля, плакированный алюминием, грануляции 63÷125 мкм. Содержание алюминия в порошке никеля составляло величину 10÷15 масс.%.

Выбор в качестве стабилизирующей добавки Y2O3 с указанным массовым содержанием обусловлен необходимостью обеспечения полной стабилизации ZrO2 с сохранением кубической модификации вплоть до комнатной температуры.

Диоксид циркония с содержанием оксида кальция (CaO) 4÷6 масс %, а также ZrO2 с содержанием стабилизирующей добавки Y2O3 менее 8 масс.% является частично стабилизированным (содержится до 10% моноклинной фазы), что отрицательно сказывается на термостойкости ЭТЗП.

Экспериментально было установлено, что увеличение содержания стабилизирующей добавки Y2O3 более 12 масс.% не приводит к повышению уровня служебных характеристик ЭТЗП, однако стоимость порошка ZrO2 при этом существенно возрастает.

Также экспериментально было получено, что при содержании алюминия в порошке никеля 20 масс.% и более имеет место снижение термостойкости ЭТЗП, которое обусловлено, по-видимому, увеличением количества хрупких алюминидов в покрытии.

Гранулометрический размер частиц порошка никеля, плакированного алюминием 63÷125 мкм определен на основании расчетных исследований по изучению нагрева и траектории движения порошковых частиц в плазменной струе с целью получения неравномерного распределения компонентов механической керметной смеси по сечению плазменной струи и, как следствие, формированию зоны фазового перехода.

Подачу механической керметной смеси в плазменную струю осуществляли под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности.

Режим напыления: подводимая к плазмотрону мощность N=21,6 кВт (ток дуги Jд=360 А, напряжение на дуге Uд=60 В); дистанция напыления L=150 мм; угол напыления θ=45°.

Для получения сравнительных данных параллельно проводили нанесение керметных теплозащитных покрытий на образцы из того же медного сплава известным способом.

Контроль фазового состава покрытий и распределение металлической составляющей по толщине выполняли металлографическим способом.

Определение адгезионной прочности и термостойкости покрытий осуществляли в соответствии с требованиями методик, изложенных в ОС 92-1406-68 «Покрытия эрозионностойкие неметаллические».

Полученные физико-механические и теплофизические свойства покрытий сведены в таблицу.

Как следует из таблицы, использование предложенного способа получения эрозионностойких теплозащитных покрытий по сравнению с известным решением позволяет при указанных выше режимах (подводимая к плазмотрону мощность, дистанция и угол напыления) повысить адгезионную прочность и термостойкость ЭТЗП в 1,5÷2 раза за счет дополнительного выделения тепла в пятне напыления в ходе экзотермической реакции при формировании зоны фазового перехода.

Содержание ZrO2 в смеси, масс.% Способ нанесения покрытий Толщина покрытия, мкм Стабилизирующая добавка, масс.% Содержание алюминия, масс.% Адгезионная прочность,
кгс/см2
Термостойкость, циклы
80 Предложенный 120÷150 8÷12% Y2O3 10÷15 120÷150 17÷20
Известный 120÷150 4÷6% CaO - 70÷80 8÷12
50 Предложенный 120÷150 8÷12% Y2O3 10÷15 150÷180 25÷30
Известный 120÷150 4÷6% CaO - 90÷100 15÷18

Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий, включающий плазменное напыление подслоя нихрома и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50÷80 мас.% диоксида циркония и 50÷20 мас.% никельсодержащего материала, подачу которой в плазменную струю осуществляют под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, отличающийся тем, что в качестве никельсодержащего материала в керметной композиции используют порошок никеля, плакированный алюминием, с содержанием алюминия 10÷15 мас.%, дисперсностью 63÷125 мкм, при этом используют порошок диоксида циркония, содержащий в качестве стабилизирующей добавки 8÷12 мас.% оксида иттрия.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки, в частности к способу размерной и упрочняющей обработки лопаток ГТД, и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, лопаток газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к технологии восстановления изношенных поверхностей стальных деталей на основе самофлюсующихся сплавов, обладающих высоким сопротивлением абразивному изнашиванию, стойкости против коррозии и окисления в сочетании с отличными антифрикционными свойствами в широком интервале температур, работающих в условиях агрессивной среды и интенсивного изнашивания.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к покрытиям для восстановления и упрочнения запорной и регулирующей арматуры. Покрытие для нанесения на приводные элементы запорной и регулирующей арматуры представляет собой двухслойную систему, состоящую из подслоя и основного слоя.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения теплозащитных износостойких покрытий на деталях из чугуна или стали. Проводят абразивно-струйную обработку карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, осуществляют плазменное напыление подслоя состава Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из порошковой смеси, содержащей компоненты, при следующем соотношении, вес.%: нихром 10-20, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, 30-20, никельалюминий 30-40, никельтитан 20-10, карбид хрома 5, карбид вольфрама 5.

Изобретение может быть использовано в медицине при производстве препаратов для послеоперационной поддерживающей терапии. Проводят термическое разложение метана в герметичной камере на подложках из кремния или никеля при давлении 10-30 Торр и температуре 1050-1150 °С.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к вакуумной установке для получения наноструктурированных покрытий из материала с эффектом памяти формы на поверхности детали.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, а именно к электровзрывному напылению композиционных покрытий системы Al-TiB2 на алюминиевые поверхности. Технический результат - повышение износостойкости и микротвердости покрытия, увеличение его адгезии к основе.

Изобретение относится к области восстановления деталей и ремонта агрегатов машин и может быть использовано на ремонтно-технических предприятиях при восстановлении интегральных рулевых механизмов с гидроусилителем руля.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, а именно к вакуумным устройствам для получения покрытий из материалов с эффектом памяти формы на цилиндрической поверхности деталей.
Изобретение относится к твердосмазочным антифрикционным покрытиям на основе неорганического связующего, которое может быть использовано в машиностроении для нанесения на детали узлов трения, работающих в воздушной среде, в условиях высоких нагрузок и температур.

Изобретение относится к производству композиционного материала. Композиционный материал содержит металлический компонент металлической матрицы (201, 211) и расположенный в металлической матрице (201, 211) армирующий компонент (202) и дополнительный армирующий компонент. Армирующие компоненты напыляют на подложку (5) термическим распылением. В качестве армирующего компонента (202) используют углерод в форме нанотрубок, нановолокон, графенов, фуллеренов, чешуек или алмаза. Дополнительный армирующий компонент выбран из группы, содержащей вольфрам, карбид вольфрама, карбид вольфрама-кобальт, кобальт, оксид меди, оксид серебра, нитрид титана, хром, никель, бор, карбид бора, инвар, ковар, ниобий, молибден, оксид алюминия, нитрид кремния, карбид кремния, оксид кремния, вольфрамат циркония и оксид циркония. Обеспечивается получение композиционного материала с металлической матрицей с более равномерным распределением используемых компонентов. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение может быть использовано в устройствах, преобразующих один вид энергии в другой, например в двигателях внутреннего сгорания. Теплообменная металлическая поверхность (1) имеет углубления (2), заполненные материалом с теплопроводностью ниже, чем теплопроводность материала поверхности (1). Углубления (2) нанесены лазером и имеют следующие размеры - диаметр от 0,001 мм до 1 мм, глубина от 0,2 до 10 вышеуказанных диаметров. Раскрыты варианты выполнения двигателей, поверхности цилиндров, поршней и головок которых выполнены с теплообменной металлической поверхностью (1) с углублениями (2). Технический результат заключается в уменьшении потерь тепла. 3 н.п. ф-лы, 19 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к алмазным нанокристаллическим покрытиям и способам его получения с использованием наноалмазов. Алмазное покрытие состоит из подслоя, содержащего наноалмазные частицы с размером от 2 до 30 нм, и нанесенного осаждением из газовой фазы алмазного слоя. Подслой выполнен из композиционного материала, имеющего металлическое или неметаллическое связующее и упомянутые наноалмазные частицы с объемной долей 5-90%. Способ получения алмазного покрытия на подложке включает нанесение подслоя, содержащего наноалмазные частицы с размером от 2 до 30 нм, и нанесение алмазного слоя осаждением из газовой фазы. Упомянутый подслой, содержащий наноалмазные частицы, выполняют из композиционного материала, имеющего металлическое или неметаллическое связующее и наноалмазные частицы с объемной долей 5-90%. Повышается качество покрытия и его адгезия к подложке. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 пр.
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности и может быть использовано для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии. Способ нанесения многослойного теплозащитного покрытия на детали газотурбинного двигателя, включает нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение методом плазменного напыления дополнительного металлического жаростойкого подслоя и верхнего керамического теплозащитного слоя. Основной металлический жаростойкий подслой наносят методом высокоскоростного газопламенного напыления толщиной 20-150 мкм из сплава системы MCrAlY, в котором M=Ni, Со, Fe. Дополнительный металлический жаростойкий подслой наносят из сплава системы MCrAlY, в котором M=Ni, Со, Fe, толщиной 10-50 мкм. Верхний керамический теплозащитный слой наносят из материала на основе оксида циркония, частично стабилизированного 6-8% по массе оксидом иттрия толщиной 120-750 мкм. Обеспечивается защита от воздействия высоких температур, эрозии и коррозии с помощью формирования долговечных теплозащитных покрытий. 1 пр.

Изобретение относится к инструментальному производству и может быть использовано для упрочнения поверхности стальных деталей, подвергающихся износу в процессе эксплуатации. Эффект упрочнения достигается в результате обработки поверхности плазменной струей, в которую вводятся пары кремнийорганического соединения тетраметоксилана кремния Si(OCH3)4. 1 ил.

Изобретение относится к способу получения износостойкого покрытия на деталях и может найти применение при восстановлении изношенных и упрочнении новых деталей в различных отраслях машиностроения. Способ включает наплавку на обрабатываемую поверхность лазерным лучом порошкового материала в среде защитного газа с получением слоя из износостойкого материала. При этом наплавку выполняют лазерной головкой с внешним и внутренним соплами расфокусированным лазерным лучом. Порошок и защитный газ подают через зазор между соплами коаксиально лазерному лучу. Затем в полученном износостойком слое той же лазерной головкой сфокусированным лазерным лучом выполняют несквозные канавки с глубиной, превышающей половину толщины наплавленного износостойкого слоя, которые заполняют твердым смазочным материалом. Причем канавки могут выполнять глубиной 0,5…1,2 мм, шириной 0,2…0,5 мм и шагом между канавками 1,0…3,0 мм. В результате при работе детали на износ твердый смазочный материал из канавок попадает на рабочую поверхность, образуя пленку на поверхности контакта, препятствуя интенсивному износу, защищая от коррозии. Канавки обеспечивают деталь смазочным материалом на протяжении всего срока службы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу получения износостойкого покрытия на деталях и может найти применение при восстановлении изношенных и упрочнении новых деталей в различных отраслях машиностроения. Техническим результатом изобретения является предлагаемый способ формирования дискретного износостойкого покрытия на детали, уменьшающий склонность полученного покрытия к трещинообразованию. Способ формирования износостойкого покрытия на детали включает наплавку лазерным лучом порошкового материала в среде защитного газа, порошок и защитный газ подают через сопло коаксиально лазерному лучу. При этом сначала выполняют наплавку в виде распределенных пересекающихся под углом 90° валиков, образующих сетку при их пересечении из пластичного сплава. Затем полученные ячейки сетки заполняют твердым износостойким материалом. Наплавку сетки и заполнение ячеек выполняют с использованием одной и той же лазерной головки. Причем валики могут наплавлять шириной 0,3…0,6 мм, высотой 0,5…1,0 мм и шагом между валиками 2,0…5,0 мм. Получаемое данным способом покрытие представляет собой пластичную матрицу, заполненную твердым износостойким материалом, обладающую высокой стойкостью к трещинообразованию. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к получению декоративного покрытия на изделиях из древесины. Поверхность древесины предварительно покрывают первым внутренним слоем из эпоксидной смолы и вторым внутренним слоем из эпоксидной смолы и порошка стекла в соотношении 1:1. Напыляют внешний слой из порошка стекла посредством плазмотрона при мощности 7,5 кВт и расходе плазмообразующего газа 1,0 м3/мин. Обеспечивается увеличение прочности сцепления покрытия с подложкой при снижении напряжений в покрытии и подложке, повышение износостойкости декоративного покрытия, увеличение микротвердости и расширение цветовой гаммы покрытия, а также устранение энергоемкой и трудоемкой технологической операции. 3 табл., 2 пр.
Наверх