Жаростойкое покрытие

Авторы патента:

Розененкова Валентина Алексеевна (RU)

Денисова Валентина Сергеевна (RU)

Каблов Евгений Николаевич (RU)

Солнцев Станислав Сергеевич (RU)

C03C8/14 - смеси фритты для стекла, содержащие нефриттующиеся добавки, например глушители, красители, добавки для облегчения помола

Владельцы патента RU 2598657:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сталей и никелевых сплавов от окисления под действием высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости, термостойкости, смачивающей способности поверхности образцов и прочности сцепления покрытия с подложкой. Жаростойкое покрытие содержит, мас.%: Al₂O₃ - 13,0-18,0, MgO - 1,0-2,5, СаО - 3,0-8,0, ВаО - 5,0-9,0, TiO₂ - 1,5-4,8, B₂O₃ - 3,5-7,6, Cr₂O₃ - 2,5-6,0, BaSi₂O₅ - 5,0-10,0, BaAl₂Si₂O₈ - 2,0-6,5, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ - 2,5-6,0, SiO₂ - остальное. 3 пр., 2 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно - к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сталей и никелевых сплавов от окисления под действием высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации.

Современные жаростойкие сплавы для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей отличаются сложным легированием и обладают высоким комплексом свойств, что требует обеспечения надежности их эксплуатации в конструкции авиакосмической и гражданской техники. С целью повышения сопротивляемости сплавов высокотемпературной газовой коррозии необходимо применение жаростойких эмалевых покрытий, которые предотвращают окисление поверхности металлов и препятствуют воздействию агрессивных сред.

Известен состав жаростойкого стеклокристаллического покрытия с ситалловой структурой (RU 2275341 С1, 20.12.2004), содержащий сухую смесь компонентов и воду в количестве 40-50 мас. % от сухой смеси компонентов. Сухая смесь компонентов содержит, мас. %:

SiO₂	15,10-55,00
СаО	3,00-12,00
ВаО	1,00-4,50
ZnO	1,00-9,00
TiO₂	4,00-10,00
Li₂O	3,50-10,00
высокоглиноземистый отход
Белокалитвенского комбината	18,50-47,40
глина	2,5-8,5
H₃BO₃	0,005-0,05
шлаковый отход	5,0-10,0

причем высокоглиноземистый отход Белокалитвенского комбината содержит, мас. %:

SiO₂	15,00
Al₂O₃-	71,66
СаО	1,76
MgO	5,51
MnO₂	0,05
Na₂O	1,58
Fe₂O₃	1,93
K₂O	2,20
TiO₂	0,31.

Известен состав жаростойкого покрытия для защиты деталей газотурбинных двигателей (RU 2358925 С1, 08.11.2007), мас. %:

SiO₂	21,0-36,6
B₂O₃	5,0-6,7
Al₂O₃	34,0-40,0
ВаО	6,3-7,0
СаО	4,0-5,0
MgO	0,9-2,0
TiO₂	0,5-0,9
Cr₂O₃	3,5-5,0
SiB₄	0,2-0,4
ZrO₂	5,0-7,0
минеральное комплексное
соединение на основе SiO₂	4,0-5,0,

причем минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ имеет следующий состав, мас. %:

SiO₂	56,25-58,5
Al₂O₃	34,3-35,1
СаО	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
K₂O	2,5-2,6
Na₂O	0,6-0,7
TiO₂	1,6-1,8
SO₃	0,15-0,25
Fe₂O₃	0,8-1,0,

или, мас. %:

SiO₂	35,25-40,05
Al₂O₃	34,3-35,1
CaO	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
K₂O	2,5-2,6
Na₂O	0,6-0,7
TiO₂	1,6-1,8
SO₃	0,15-0,25
Fe₂O₃	0,8-1,0
SiB₄	18,0-21,0.

Наиболее близким аналогом является жаростойкое покрытие (RU 2163897 С1, 01.06.1999) следующего состава, мас. %:

SiO₂	38,0-52,6
Al₂O₃	18,0-20,0
MgO	0,9-2,0
СаО	3,5-7,5
ВаО	7,0-9,0
TiO₂	2,5-4,0
B₂O₃	6,0-7,5
Cr₂O₃	4,0-5,5
минеральное комплексное соединение
на основе SiO₂	5,5-6,5,

причем минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ имеет следующий состав, мас. %:

SiO₂	56,25-58,05
Al₂O₃	34,3-35,1
MgO	1,0-1,1
СаО	1,0-1,2
K₂O	2,5-2,6
Na₂O	0,6-0,7
SO₃	0,15-0,25
TiO₂	1,6-1,8
Fe₂O₃	0,8-1,0

или, мас. %:

SiO₂	35,25-40,05
Al₂O₃	34,3-35,1
СаО	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
K₂O	2,5-2,6
Na₂O	0,6-0,7
TiO₂	1,6-1,8
SO₃	0,15-0,25
Fe₂O₃	0,8-1,0
SiB₄	18,0-21,0.

Недостатками известных жаростойких покрытий являются малые значения вязкости при температурах эксплуатации выше 1000°C, что приводит к быстрому окислению сплавов, малая прочность сцепления со сплавами на основе железа и никеля, недостаточная смачивающая способность при температурах формирования покрытий.

Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости, термостойкости, смачивающей способности поверхности образцов и прочности сцепления покрытия с подложкой за счет создания на поверхности жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия.

Технический результат достигается за счет того, что предложено жаростойкое покрытие, содержащее Al₂O₃, MgO, СаО, ВаО, TiO₂, B₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂ и минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, содержащее, мас. %:

SiO₂	56,25-58,05
Al₂O₃	34,3-35,1
MgO	1,0-1,1
СаО	1,0-1,2
K₂O	2,5-2,6
Na₂O	0,6-0,7
SO₃	0,15-0,25
TiO₂	1,6-1,8
Fe₂O₃	0,8-1,0,

при этом покрытие дополнительно содержит BaSi₂O₅ и BaAl₂Si₂O₈ при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Al₂O₃	13,0-18,0
MgO	1,0-2,5
СаО	3,0-8,0
ВаО	5,0-9,0
TiO₂	1,5-4,8
B₂O₃	3,5-7,6
Cr₂O₃	2,5-6,0
BaSi₂O₅	5,0-10,0
BaAl₂Si₂O₈	2,0-6,5
минеральное комплексное соединение
на основе SiO₂*	2,5-6,0
SiO₂	остальное.

Методами химического и рентгенофазового анализа установлено, что обжиг покрытия с введенными тугоплавкими эвтектическими композициями BaO·2SiO₂ и BaO·Al₂O₃·2SiO₂ при заявленном соотношении и содержании компонентов приводит к образованию боросиликатного стекла, армированного частицами тугоплавких соединений BaSi₂O₅ и BaAl₂Si₂O₈, что повышает жаростойкость, термостойкость, прочность сцепления, смачивающую способность покрытия при температурах эксплуатации до 1200°C.

В качестве минерального комплексного соединения на основе SiO₂ можно использовать, например, глину Часов-Ярскую ТУ 148-165-75, глину Веселовскую МРТУ 21-40-69 или глину Латнинскую ТУ 14-3-8-152-75.

Примеры осуществления

Для получения фритты жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия компоненты в соотношениях, указанных в таблице 1, помещали в фарфоровый барабан с алундовыми шарами при следующем массовом соотношении: компоненты/алундовые шары =1/1,5. Проводили помол компонентов в течение 2 часов на валковой мельнице при скорости вращения валков 100 об/мин и диаметре валков 10,3 см. Варку фритты проводили в камерной печи в алундовых тиглях. Затем приготовили шликер покрытия путем совместного размола фритты и минерального комплексного соединения на основе SiO₂ (глина Часов-Ярская, ТУ 148-165-75) с добавлением 150 мл водопроводной воды в фарфоровом барабане на валковой мельнице в течение 50 часов. Готовый шликер в виде суспензии выгружали из барабана в полиэтиленовые емкости и отделяли мелющие тела. Производили выдержку суспензии шликера в емкостях в течение 3-х суток.

Шликер наносили краскораспылителем при условной вязкости шликера 15 Па·с на образцы сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 и на образцы сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171. Толщина покрытия составляла 80 мкм. Образцы с покрытием сушили при температуре 60°C в течение 1 часа. Обжиг образцов из сталей Х18Н10Т и ЭИ 657 с нанесенными предлагаемыми жаростойкими покрытиями и покрытием-прототипом производили при температуре 1150°C. Обжиг образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171 с нанесенным предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом производили при температуре 1250°C.

Свойства предлагаемого жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия и его прототипа приведены в таблице 2.

Образцы сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 и образцы сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом подвергались испытаниям для определения жаростойкости, термостойкости, прочности сцепления и смачивающей способности при температурах 1000 и 1150°C для образцов из сталей Х18Н10Т и ЭИ 657, и 1200 и 1250°C для образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171.

Жаростойкость образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом оценивали путем нагрева при температуре 1000°C в течение 100 часов. Жаростойкость образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом оценивали путем нагрева при температуре 1200°C в течение 50 часов по ГОСТу 6130-71. Температурно-временные режимы испытаний (см. таблицу 2) для образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 и сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 соответствуют условиям эксплуатации.

Термостойкость образцов из сталей с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом определяли путем их термоциклирования по режиму 1000°C↔20°C. Термостойкость образцов из сплавов с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом определена путем их термоциклирования по режиму 1200°C↔20°C. 1 цикл составлял 5 минут.

Прочность сцепления покрытия и покрытия-прототипа определялась площадью скола покрытия с защищаемой поверхностью образца. Образцы сталей Х18Н10Т и ЭИ 657 и образцы сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171 нагревали в печи SNOL 30/1300 при температуре 1000 и 1200°C соответственно при выдержке 30 минут, после чего образцы выгружали из печи и подвергали удару металлическим шариком массой 5 г и диаметром 3 мм с высоты 50 см. Покрытие скалывалось с защищаемой поверхности в виде окружностей и прямоугольников. После удара замеряли площадь скола и вычисляли по формулам:

S_окр=2πr²,

где S_окр - площадь окружности, r - радиус круга,

S_пр=L×b,

где S_пр - площадь прямоугольника, L - длина, b - ширина.

Общая площадь сколовшегося покрытия S_скола с защищаемой поверхности образца определялась суммарной площадью скола покрытия. Определение прочности сцепления образцов с покрытием осуществляли на копре марки В5113.303.

Критерием оценки смачивающей способности покрытия служил краевой угол смачивания поверхности образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 при температурах 1000°C и 1150°C; и образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 при температурах 1200°C и 1250°C. Для определения краевого угла смачивания из сухого шликера предлагаемого жаростойкого покрытия и покрытия-прототипа прессовали штабики диаметром 4 мм и высотой 2 мм. Изготовленные штабики устанавливали также на поверхность образцов из сталей Х18Н10Т и ЭИ 657, загружали в печь и нагревали при температурах 1000 и 1150°C в течение 0,5 часов. Изготовленные штабики устанавливали на поверхность образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171, загружали в печь и нагревали при температурах 1200 и 1250°C в течение 0,5 часов. После выгрузки образцы охлаждали на воздухе до комнатной температуры и, исходя из размеров площади растекшегося штабика, определяли краевой угол смачивания по формуле:

где Θ - краевой угол смачивания, град, d - диаметр растекания капли покрытия, мм.

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2. Приведенные в таблице 2 экспериментальные данные соответствуют средним значениям, полученным из 3-х измерений жаростойкости, термостойкости, прочности сцепления и смачивающей способности.

Жаростойкость:

- образцов из стали Х18Н10Т с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1000°C выше в 3 раза по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов из стали ЭИ 657 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1000°C выше в 3,5 раза по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов из сплава ВЖ 98 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 6,8 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов из сплава ЭИ 602 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5,8 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов из сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 6,6 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Термостойкость:

- образцов из стали ЭИ 657 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1000°C выше в 3 раза по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов из сплава ВЖ 98 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов из сплава ЭИ 602 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов из сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5,2 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Прочность сцепления предлагаемого жаростойкого покрытия:

- со сталью Х18Н10Т составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;

- со сталью ЭИ 657 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;

- со сплавом ВЖ 98 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;

- со сплавом ЭИ 602 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;

- со сплавом ВЖ 171 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца.

При температуре 1000 и 1200°C происходит равномерное растекание жаростойкого покрытия по поверхности образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657. При температуре 1200°C происходит равномерное растекание покрытия по поверхности образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171, что обеспечивает надежную защиту металлов при температурах эксплуатации.

Жаростойкое покрытие, содержащее Al₂O₃, MgO, СаО, ВаО, TiO₂, B₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂ и минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит BaSi₂O₅ и BaAl₂Si₂O₈ при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Al₂O₃	13,0-18,0
MgO	1,0-2,5
СаО	3,0-8,0
ВаО	5,0-9,0
TiO₂	1,5-4,8
B₂O₃	3,5-7,6
Cr₂O₃	2,5-6,0
BaSi₂O₅	5,0-10,0
BaAl₂Si₂O₈	2,0-6,5
минеральное комплексное соединение
на основе SiO₂	2,5-6,0
SiO₂	остальное

Изобретение относится к составам масс для получения эмалевого покрытия на керамических изделиях, в том числе хозяйственно-бытового назначения. Масса для получения эмалевого покрытия содержит, мас.%: фритта 63,0-67,0; муллит 7,0-10,0; циркон 16,0-20,0; сподумен 4,0-6,0.

Масса для получения эмалевого покрытия // 2537734

Изобретение относится к составам масс для получения эмалевого покрытия на керамических изделиях, в том числе, хозяйственно-бытового назначения. Технический результат заключается в повышении термостойкости эмалевого покрытия.

Масса для получения эмалевого покрытия // 2537730

Изобретение относится к составам масс для получения эмалевого покрытия на керамических изделиях, в том числе хозяйственно-бытового назначения. Масса для получения эмалевого покрытия содержит, мас.%: фритту 72,0-74,0; муллит 7,0-9,0; костяную золу 17,0-21,0.

Состав композиции и покрытие из нее // 2497763

Изобретение относится к составам огнеупорных композиций и покрытий для защиты деталей литейного оборудования, выполненных из чугуна, от воздействия расплава алюминия.

Глазурь // 2484069

Изобретение относится к технологии силикатов и касается составов глазурей для нанесения на керамические изделия хозяйственно-бытового назначения, плитку. .

Масса для получения эмалевого покрытия // 2476390

Изобретение относится к составам масс для получения эмалевого покрытия на керамических изделиях, в том числе хозяйственно-бытового назначения. .

Черепичная глазурь // 2473476

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и касается составов глазурей для нанесения на керамическую черепицу. .

Глазурь // 2472722

Масса для получения эмалевого покрытия // 2469966

Изобретение относится к составам масс для получения эмалевого покрытия. .

Масса для получения эмалевого покрытия // 2459771

Изобретение относится к эмалевым покрытиям. .

Глазурь // 2612383

Изобретение относится к технологии силикатов, в частности к составам глазурей, которые могут быть использованы для нанесения на керамическую плитку. Глазурь содержит, мас. %: SiO2 38,0-41,0; Al2O3 0,5-1,5; B2O3 15,0-17,0; ZnO 7,0-8,0; ZrO2 15,0-16,0; CaO 15,0-16,5; Na3AlF6 4,5-5,5. Технический результат – повышение термостойкости. 1 табл.

Способ получения легкоплавкой стеклокомпозиции // 2614844

Изобретение относится к легкоплавким стеклокристаллическим композиционным материалам для вакуумплотного низкотемпературного спаивания корундовой керамики. Технический результат – повышение механической прочности получаемых спаянных изделий и повышение технологичности получения стеклокомпозиций. Легкоплавкую стеклокомпозицию получают путем смешения легкоплавкого стекла, содержащего PbO, В2O3, ZnO, Al2O3, SiO2, кристаллического титаната свинца PbTiO3 и циркона ZrSiO4. Удельная поверхность циркона составляет 1200-1400 см2/г, легкоплавкого стекла – 2500-2700 см2/г. Титанат свинца вводят в бидисперсном состоянии – в виде порошка со значением удельной поверхности 1100-1300 см2/г и до 6 мас.% сверх 100% в виде фракции с размером частиц менее 3 мкм. Состав композиции следующий, мас.%: титанат свинца - 20-50; циркон - 0,1-5; легкоплавкое стекло - остальное до 100, титанат свинца с размером частиц не более 3 мкм - до 6 мас.% сверх 100%. 2 пр., 4 табл.

Порошок эмали, металлический конструктивный элемент с участком поверхности, снабженным эмалированным покрытием, и способ изготовления такого металлического конструктивного элемента // 2616195

Изобретение относится к порошку эмали. Технический результат – повышение устойчивости эмали к механическим и тепловым нагрузкам. Порошок эмали для изготовления эмалированного покрытия содержит 100 частей стеклянного порошка, при необходимости 10-22 части грубых стеклянных гранул, больших, чем частицы указанного стеклянного порошка, 0,1-7,5 частей керамических волокон, стеклянных волокон или углеродных волокон, а также альтернативно друг другу или в комбинации друг с другом 10-21 часть находящегося в виде порошка оксидного соединения легкого металла или 1-5 частей порошка тяжелого металла. Эмалевый шликер наносят на металлический конструктивный элемент. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Стекловидное покрытие // 2641336

Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к составам стекловидного покрытия на изделия из керамики, металлов. Покрытие содержит, мас. %: SiO2 20,0-30,0; Al2O3 10,0-20,0; B2O3 4,0-6,0; ZrO2 31,0-34,5; СаО 2,0-6,0; Na2O 2,0-3,5; HfO2 13,0-15,0; CuO 1,0-2,0. Сырьевые компоненты в виде тонкодисперсных порошков смешивают, смесь наносят на поверхность керамических или металлических изделий в струе низкотемпературной плазмы. Технический результат изобретения – повышение термостойкости покрытия. 1 табл.