Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов



 


Владельцы патента RU 2610188:

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

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для защиты деталей от высокотемпературного окисления. Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов включает осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего, мас.%: гафний 0,5-3,0, алюминий 10,0-20,0, хром 5,0-10,0, никель – остальное. Осуществляют осаждение второго слоя из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: гафний 0,5-3,0, никель 10,0-20,0, алюминий – остальное. Затем осуществляют вакуумный отжиг. Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевого сплава до 1250°C. 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей от высокотемпературного окисления, в том числе сопловых блоков, створок сопла газотурбинного двигателя (ГТД) с регулируемым вектором тяги, рабочих и сопловых лопаток газовых турбин из никелевых сплавов.

Известен способ осаждения диффузионного алюминидного покрытия на подложку из никелевого или кобальтового жаропрочного сплава (патент US 6291014 B1, С23С 10/02, опубл. 18.09.2001), включающий нанесение диффузионного алюминидного покрытия, содержащего: Al, Si и Hf на подложку для формирования начального слоя алюминидного покрытия, далее нанесение слоя платины, формирование внутреннего слоя алюминидного покрытия и внешнего слоя гамма матрицы Ni, Pt, Si с содержанием компонентов от 0,01 до 8%, вторичные выделения, включающие силициды гафния и кремния. Недостатками способа являются высокая трудоемкость процесса, использование дорогостоящего драгоценного металла - платины, неудовлетворительная жаростойкость покрытия при температурах выше 1100°C.

Известен также способ защиты лопаток газовых турбин (патент RU 2280096 C1, С23С 14/06, опубл. 20.07.2006), включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы путем введения в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)⋅10-1 Па. Недостатком способа являются недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах до 1200°C.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты лопаток газовых турбин (патент RU 2452793 C1, С23С 14/06, опубл. 10.06.2012), включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, тантал, рений, последующее осаждение второго слоя из алюминиевого сплава и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного гафнием, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Хром 6,0-11,5
Алюминий 6,0-12,0
Иттрий 0,1-0,5
Тантал 1,5-8,0
Рений 0,3-2,5
Гафний 0,2-1,5
Никель Остальное

Недостатком способа-прототипа являются недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах лопатки из никелевого сплава до 1250°C.

Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов с осаждением первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, дополнительно легированного гафнием, позволяет поднять жаростойкость покрытия за счет формирования на границе защищаемый сплав - покрытие карбидов на основе гафния, которые являются более термически стабильными при температурах выше 1100°C, чем карбиды хрома и вольфрама. Карбиды на основе гафния создают барьер, препятствующий диффузии алюминия из сплава покрытия в защищаемый сплав, а также встречной диффузии легирующих элементов защищаемого сплава в покрытие, снижающих жаростойкость при температуре выше 1100°C (титан, молибден, кобальт). Кроме того, гафний оказывает положительное влияние на жаростойкость покрытия путем создания на поверхности покрытия окислов, повышающих адгезию защитной пленки оксида алюминия. Отсутствие в составе сплава таких элементов, как тантал, рений, иттрий, исключает формирование на поверхности покрытия шпинелей, снижающих защитные свойства оксидной пленки.

Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевого сплава до 1250°C.

Технический результат достигается способом защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающим осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, последующее осаждение второго слоя из алюминиевого сплава и вакуумный отжиг, отличающимся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, при следующем содержании компонентов, мас. %:

Гафний 0,5-3,0
Алюминий 10,0-20,0
Хром 5,0-10,0
Никель Остальное

а осаждение второго слоя покрытия производят из алюминиевого сплава, легированного гафнием, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гафний 0,5-3,0
Никель 10,0-20,0
Алюминий Остальное

Предпочтительно после вакуумного отжига на поверхность покрытия наносится керамический слой на основе диоксида циркония.

Примеры осуществления

Пример 1. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность соплового блока из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-1В в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlHf, состав которых представлен в таблице 1. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминиевых сплавов 4, 5 и 6 (соответственно) системы AlNiHf, состав которых представлен в таблице 1, и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°C в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м2.

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в таблице 2.

Пример 2. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность створки сопла для ГТД с регулируемым вектором тяги из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-25 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlHf, состав которых представлен в таблице 2. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминиевых сплавов 4, 5 и 6 (соответственно) системы AlNiHf, состав которых представлен в таблице 1, и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°C в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м2.

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в таблице 3.

Пример 3. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность лопатки газовых турбин из никелевого сплава ВИН3 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlHf, состав которых представлен в таблице 3. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминиевых сплавов 4, 5 и 6 (соответственно) системы AlNiHf, состав которых представлен в таблице 1, и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°C в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м2.

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в таблице 4.

На всех деталях из никелевых сплавов ВКНА-1В, ВКНА-25 и ВИН3 покрытие, полученное с использованием сплавов 2 и 5, на базе испытаний 500 часов обеспечило наименьшие значения потери массы деталей (таблицы 2, 3, 4) за счет положительного влияния гафния, снижения содержания хрома и исключения тантала, рения и иттрия. Жаростойкость покрытия повысилась более чем в 1,5 раза.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить жаростойкость покрытия и, следовательно, ресурс и надежность деталей газовых турбин.

1. Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, последующее осаждение второго слоя из алюминиевого сплава и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гафний 0,5-3,0
Алюминий 10,0-20,0
Хром 5,0-10,0
Никель остальное

а осаждение второго слоя покрытия производят из алюминиевого сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, мас. %:

Гафний 0,5-3,0
Никель 10,0-20,0
Алюминий остальное

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после вакуумного отжига на поверхность покрытия наносят керамический слой на основе диоксида циркония.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ определения микротвердости нанокомпозитного покрытия с повышенной износостойкостью по соотношению в нем металлической и керамической фаз характеризуется тем, что определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения нанокомпозитных покрытий металл-керамика с требуемым значением микротвердости включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значение микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины ионно-лучевым распылением включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом и с изменением процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума, после чего определяют значения микротвердости полученного покрытия при заданном соотношении указанных фаз.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике, машиностроении и т.д. Способ получения нанокомпозитного металл-керамического покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины включает нанесение ионно-лучевым распылением покрытия с необходимым процентным соотношением металлической и керамической фаз, при этом процентное соотношение металлической и керамической фаз определяют с помощью нейронной сети, для чего наносят покрытия с заданным шагом процентного соотношения фаз металл-керамика, изменяющимся в покрытии от нуля до максимума, определяют значения микротвердости нанесенных покрытий, затем на основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, тестируют полученную нейросетевую модель путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, экспериментально измеренных факторов нейросетевой модели, включающих микротвердость металлического покрытия, микротвердость керамического покрытия, концентрацию металлической фазы в композите и микротвердость нанокомпозитного покрытия в качестве выходного параметра модели, с последующим их определением при помощи полученной нейросетевой модели и сравнения полученных теоретических данных с исходными экспериментальными значениями, затем в искусственную нейронную сеть вводят значения микротвердости металлического и керамического покрытия, их процентное соотношение в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети рассчитывают значение микротвердости металл-керамического нанокомпозитного покрытия при введенном процентном соотношении металлической и керамической фаз.

Изобретение относится к технологии ионно-плазменного напыления и может быть использовано для изготовления фильтрующих элементов, применяемых в медицине, а также химической, металлургической и горнодобывающей отраслях промышленности.

Изобретение относится к технологиям нанесения ионно-плазменных и катафорезных покрытий, в частности к способу обработки поверхности металлического изделия, и может быть использовано для защиты от фреттинга осей поворотных лопаток направляющего аппарата из титанового сплава и болтовых соединений из стали.

Изобретение относится к нанослойному покрытию режущего инструмента и способу его нанесения на режущий инструмент. Осуществляют нанесение на поверхность режущего инструмента покрытия, содержащего нанослойную структуру из чередующихся нанослоев А, состоящих из (Al,Ti,W)N, и нанослоев В, состоящих из (Ti,Si,W)N.

Изобретение относится к поршневому кольцу, его применению и способу его изготовления. Поршневое кольцо (1) выполнено с основой (10) и нанесенным на нее защитным покрытием от износа (20), которое имеет, по меньшей мере, первый элемент, точка плавления которого составляет Tm≤700°C.

Способ включает размещение изделия с жаростойким покрытием в камере распыления, заполненной смесью кислорода и инертного газа, нагрев изделия, магнетронное распыление мишени из сплава на основе циркония с образованием керамического слоя и термообработку изделия и отличается тем, что нагрев изделия осуществляют хотя бы частично потоком газоразрядной магнетронной плазмы до температуры 200-800°C и используют мишень из сплава циркония, иттрия, гадолиния и гафния следующего состава, мас.%: иттрий - 6-10, гадолиний - 6-10, гафний 3-7, цирконий - остальное.

Изобретение относится к изделиям, в частности, таким как водопроводные краны, имеющим декоративно-защитное покрытие темного цвета. При этом темный цвет может быть представлен, в частности, черным, темно-бронзовым, иссиня-черным, ярко-синим или серо-голубым цветом.
Наверх