Способ обработки рабочих поверхностей газотурбинных установок


 


Владельцы патента RU 2588956:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок. Способ нанесения теплозащитного покрытия на рабочие поверхности детали газотурбинной установки включает нанесение плазменным напылением на предварительно подготовленные поверхности детали из сплава на основе никеля покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, причем нанесение покрытия осуществляют созданием в нем градиентного переходного слоя с помощью двух магнетронов, при этом посредством первого магнетрона распыляют первую мишень из сплава на основе никеля, состав которого соответствует составу сплава детали, а посредством второго магнетрона распыляют вторую мишень из циркония с добавками иттрия, причем сначала распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, чтобы интенсивность атомного потока, сформированного от первой мишени, превышала интенсивность атомного потока, сформированного от второй мишени, после формирования на поверхности детали сплошного металлического слоя в рабочую камеру подают кислород для формирования в напыляемом покрытии оксида циркония, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до 1,5*10-3 Па, а мощность первого магнетрона уменьшают до его полного отключения, затем продолжают напыление до формирования оксида циркония, стабилизированного иттрием, требуемой толщины. В результате получают наноструктурированное покрытие, содержащее металлическую фазу с составом, соответствующим составу сплава защищаемой поверхности детали, и фазу из оксида циркония, стабилизированного иттрием, причем доля оксидной фазы в переходном слое по мере увеличения толщины пленки возрастает, обеспечивая плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера. Изобретение направлено на формирование на рабочих поверхностях покрытий, имеющих достаточно высокое значение адгезии и когезии.

 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих достаточно высокое значение адгезии и когезии.

В настоящее время при создании покрытия с заданными свойствами методом послойного напыления образуются межфазные макроскопические границы в плоскостях, параллельных обрабатываемой поверхности, и при циклических термонагрузках разница в значениях коэффициентов термического расширения может привести к расслоению покрытия и его разрушению.

Известен способ напыления теплозащитного покрытия с использованием оксида циркония, стабилизированного Y2 O3, включающий послойное нанесение покрытия на изделие (Патент US 6180184, C23C 4/10, 30.01.2001 - прототип).

Согласно этому способу получают термобарьерное покрытие из жаропрочных сплавов, стабилизированных иттрием оксида циркония, которое послойно наносят с помощью вакуумного электронно-лучевого напыления. При этом получают покрытие, имеющее столбчатую структуру, проявляющуюся в одном или нескольких слоях.

Недостатком способа является возможность получения сквозной пористости, приводящей к коррозии подложки и к разрушению покрытия. Кроме этого в процессе послойного напыления образуются межфазные границы в плоскостях, параллельных поверхности, и при циклических термонагрузках разница в значениях коэффициентов термического расширения может привести к расслоению покрытия и его разрушению.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание способа нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксидному покрытию без межфазной границы макроскопического размера.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе обработки рабочих поверхностей деталей газотурбинных установок, включающем нанесение защитного оксидного покрытия на предварительно механически обработанные и подготовленные поверхности деталей, последующее формирование на металлической поверхности композитной структуры металл-оксид при совместном реактивном распылении металлов, согласно изобретению в наносимом покрытии создают градиентный переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, которую и диэлектрическую фазу, преимущественно оксид циркония различной стехиометрии, которую наносят на упомянутую металлическую фазу, при этом соотношение фаз в переходном слое изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки, обеспечивая при этом плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера, при этом для создания упомянутого градиентного переходного слоя используют магнетронную систему с двумя магнетронами, причем при помощи первого магнетрона распыляют мишень с металлическим сплавом, состав которого соответствует составу металлического изделия, и преимущественно содержащую никель, а при помощи второго магнетрона распыляют мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, преимущественно иттрия, причем первоначальное распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, что интенсивность атомного потока, сформированного от первой никелевой мишени, превышает интенсивность атомного потока от циркониевой мишени, при этом после формирования первичного сплошного металлического слоя в рабочую камеру добавляют кислород и придают процессу напыления характер реактивного, с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никеле, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до давления порядка 1,5*10-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего мишень с металлическим сплавом, уменьшают вплоть до его полного отключения, после чего продолжают напыление чистого оксида циркония до достижения им требуемой толщины, обеспечивая при этом требуемую наноструктурированность получаемого покрытия.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Для повышения адгезионной прочности покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, напыляемого на рабочие поверхности деталей газотурбинных установок, создают переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, и диэлектрическую фазу, собственно оксид циркония различной стехиометрии. Соотношение фаз в переходном слое обеспечивают не постоянным, а переменным, при этом его изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки. В результате создания такого градиентного слоя формируется плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.

Для создания указанного градиентного переходного слоя используется магнетронная система с двумя магнетронами. Первый магнетрон распыляет мишень, состав которой соответствует составу металлического изделия, например, никелевый сплав ХН71МТЮБ, а второй магнетрон распыляет мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, например иттрия. Первоначальное распыление мишеней осуществляется в атмосфере аргона, причем интенсивность атомного потока, сформированного от никелевой мишени, превышает интенсивность атомного потока от циркониевой мишени. После формирования первичного сплошного металлического слоя в рабочую камеру добавляется кислород, после чего процесс напыления приобретает характер реактивного - в напыляемой пленке начинает образовываться оксид. В силу различных значений энергий связи в оксиде никеля и оксиде циркония в формирующемся покрытии происходит образование оксида циркония, в то время как никель остается неокисленным.

Таким образом, в результате одновременного распыления никелевого сплава и циркония в смешанной кислородно-аргонной атмосфере происходит напыление композитного материала металл-оксид. В процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивается до давления порядка 1,5*10-3 Па, а мощность магнетрона, распыляющего металлический сплав, уменьшается вплоть до его полного отключения. После этого продолжается напыление чистого оксида циркония до достижения им требуемой толщины.

В этом случае формируемый градиентный слой является не только композитным, но и наноструктурированным, поскольку характерные размеры включений каждой фазы составляют от единиц до нескольких десятков нанометров, в зависимости от объемной доли фазы.

Полученная наноструктурированность не только повышает механическую прочность покрытия, но и приводит к изотропному распределению внутренних напряжений при циклических термонагрузках, что повышает жаропрочность и жаростойкость покрытия.

Использование предложенного технического решения позволит создать способ нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера, что, в конечном итоге, позволит повысить механическую прочность покрытия и приведет к изотропному распределению внутренних напряжений при циклических термонагрузках, что позволит повысить жаропрочность и жаростойкость покрытия.

Способ нанесения теплозащитного покрытия на рабочие поверхности деталей газотурбинной установки, включающий нанесение плазменным напылением на предварительно подготовленные поверхности детали из сплава на основе никеля покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, отличающийся тем, что нанесение покрытия осуществляют созданием в нем градиентного переходного слоя с помощью двух магнетронов, при этом посредством первого магнетрона распыляют первую мишень из сплава на основе никеля, состав которого соответствует составу сплава детали, а посредством второго магнетрона распыляют вторую мишень из циркония с добавками стабилизирующего элемента иттрия, причем сначала распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, чтобы интенсивность атомного потока, сформированного от первой мишени, превышала интенсивность атомного потока, сформированного от второй мишени, при этом после формирования на поверхности детали сплошного металлического слоя в рабочую камеру подают кислород для формирования в напыляемом покрытии оксида циркония, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до 1,5*10-3 Па, а мощность первого магнетрона уменьшают до его полного отключения, затем продолжают напыление до формирования покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, требуемой толщины, при этом получают наноструктурированное покрытие, содержащее металлическую фазу с составом, соответствующим составу сплава защищаемой поверхности детали, и фазу из оксида циркония, стабилизированного иттрием, причем доля оксидной фазы в переходном слое по мере увеличения толщины пленки возрастает, обеспечивая плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу формирования токоведущей шины на низкоэмиссионной поверхности стекла методом холодного газодинамического напыления с помощью сопла устройства для газодинамического напыления.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрических потоков энергии, которые могут быть использованы в горнодобывающей и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии и может быть использовано в горнодобывающей и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к полученной в плазме каталитической наночастице. Данная наночастица имеет границу раздела фаз для закрепления каталитического наноактивного материала на наноподложке, причем указанная граница раздела фаз содержит соединение, предназначенное для ограничения перемещения каталитического наноактивного материала на поверхности наноподложки.
Изобретение относится к способу электродуговой металлизации путем распыления расплавленной дугой бронзы под действием потока азота, исключающего окисление и выгорание легирующих элементов, повышающего коррозионную стойкость, твердость и износостойкость покрытий.

Изобретение относится к устройству термического плазменно-дугового проволочного напыления. Механизм подачи проволоки (20) действует как первый электрод.

Изобретение относится к способу газоплазменного напыления теплозащитного покрытия на лопатки турбины газотурбинного двигателя. На перовой части лопатки формируют связующий жаростойкий подслой на основе интерметаллидных никель-алюминиевых (β+Y1) фаз и термобарьерный керамический слой на основе диоксида циркония путем воздействия плазменным напылением на воздухе сфокусированной плазменной струей со скоростью напыляемых частиц 2400 м/с и температурой 5000-12000 K с обеспечением в связующем жаростойком подслое продольной слоистой микроструктуры интерметаллидных зерен, а в термобарьерном керамическом слое - сфероидальных зерен диоксида циркония со столбчатой субструктурой.

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для детонационного наращивания поверхности физических объектов. В способе используют детонационный циклический инструмент (1) с манипулятором (2) и блок установки обрабатываемой детали (4) с приводом.

Изобретение относится к способу формирования стабильных наноструктурных покрытий плазменной струей. Осуществляют напыление твердосплавных нанопорошков плазменной струей на подложку, расположенную перпендикулярно к направлению оси плазменной струи, с использованием кислород-углеводородных газовых смесей.

Изобретение относится к области нанесения покрытий детонационным способом и может быть использовано для получения порошкового нитрида титана и нанесения покрытий на его основе.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению оправки прошивного стана для производства бесшовной стальной трубы/трубки. Вначале осуществляют дробеструйную обработку поверхности оправки.
Изобретение может быть использовано в производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих высокое значение адгезии и когезии.

Изобретение относится к области газотермического напыления покрытий, а именно к технологии подготовки поверхности изделия перед нанесением детонационного покрытия.

Изобретение относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения.

Изобретение относится к оправке прошивного стана. Прошивная оправка содержит корпус оправки, Ni-Cr-слой, сформированный на поверхности корпуса оправки, и напыленное покрытие, сформированное на поверхности Ni-Cr-слоя.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрических потоков энергии, которые могут быть использованы в горнодобывающей и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии и может быть использовано в горнодобывающей и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, а именно к способам нанесения плазменных покрытий на детали, работающие в экстремальных условиях.

Изобретение относится к способу и устройству газопламенного напыления наноструктурированных покрытий. Распылитель содержит форкамеру.

Изобретение относится к способу газоплазменного напыления теплозащитного покрытия на лопатки турбины газотурбинного двигателя. На перовой части лопатки формируют связующий жаростойкий подслой на основе интерметаллидных никель-алюминиевых (β+Y1) фаз и термобарьерный керамический слой на основе диоксида циркония путем воздействия плазменным напылением на воздухе сфокусированной плазменной струей со скоростью напыляемых частиц 2400 м/с и температурой 5000-12000 K с обеспечением в связующем жаростойком подслое продольной слоистой микроструктуры интерметаллидных зерен, а в термобарьерном керамическом слое - сфероидальных зерен диоксида циркония со столбчатой субструктурой.
Изобретение может быть использовано в производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих высокое значение адгезии и когезии.
Наверх