Многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов



Многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов
Многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов

Владельцы патента RU 2621506:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов" (ФГУП "ВНИИТС") (RU)

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к многослойным жаростойким покрытиям на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, и может быть использовано для деталей, работающих в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, например, для сопловых лопаток газотурбинных двигателей. Многослойное жаростойкое покрытие, нанесенное на изделие из углерод-углеродного композиционного материала, содержит слой ZrN, нанесенный на изделие, средний слой из Ni22Cr10AIY и внешний теплоизоляционный слой на основе системы оксид алюминия - оксид титана, при этом внешний слой дополнительно содержит гексаборид лантана при следующем соотношении компонентов в слое, вес.%: гексаборид лантана (LaB6) 0,5-5,0, оксид титана (TiO2) 2,0-3,0, оксид алюминия (Al2O3) - остальное, причем толщины слоев покрытия: слоя ZrN, слоя Ni22Cr10AIY и слоя Al2O3-TiO2-LaB6 относятся между собой как 1:2,5:5. Изобретение направлено на повышение твердости покрытия и его адгезии к подложке при снижении плотности покрытия и коэффициента термического расширения. 1 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для деталей, работающих в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, например для сопловых лопаток газотурбинных двигателей.

Для таких деталей наиболее распространенным является использование керамического покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO2-Y2O3) с предварительно нанесенным адгезионным слоем или связующим слоем MeCrAlY, где металл Me-Ni, Co, Cr (патент России №2445199, B23P 6/00, C23C 14/06, опубл. 20.03.2012 г.).

Недостатком такого покрытия является возникновение термических напряжений, приводящих к разрушению. Также керамическое покрытие разрушается из-за того, что внешний слой и подложка имеют разные коэффициенты термического расширения.

Наиболее близким техническим решением является покрытие на основе Al2O3 (35 весовых долей, %), где одним из вторых оксидов металлов является TiO2, а также 10 весовых долей, % Al2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, Te2O5 и V2O5 (патент России №2332522, C23C 4/10, опубл. 26.02.2003 г.). Данное покрытие является аморфным, одной из кристаллических фаз является .

Недостатком данного покрытия является высокая хрупкость, присущая системе Al2O3-TiO2, а добавки на основе SiO2, V2O5, P2O5, As2O3 не снижают хрупкость, зато резко уменьшают температуру плавления многокомпонентной смеси, тем самым понижая максимальную температуру эксплуатации покрытия. Высокие напряжения возникают из-за разницы коэффициента термического расширения углерод-углеродного керамического материала и материала покрытия.

Задачей предложенного технического решения является устранение недостатков вышеназванных технических решений, повышение твердости покрытия и адгезии покрытия к подложке при снижении его плотности и коэффициента термического расширения.

Поставленная задача достигается за счет того, что многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, включающее теплоизоляционные слои на основе системы оксид алюминия - оксид титана (Al2O3-TiO2), имеет дополнительно внешний слой, содержащий гексаборид лантана LaB6 при следующем соотношении компонентов, вес. %:

гексаборид лантана (LaB6) 0,5-5,0
оксид титана (TiO2) 2,0-3,0
оксид алюминия (Al2O3) остальное

а слои покрытия по толщине: слой на изделии ZrN, средний слой Ni22Cr10AlY и внешний слой Al2O3-TiO2-LaB6 относятся между собой как 1:2,5:5.

В предлагаемом многослойном жаростойком покрытии повышение максимальной температуры эксплуатации, снижение напряжений в покрытии до уровня, не превышающего уровень разрушения покрытия, обеспечивается за счет введения модифицирующей добавки гексаборида лантана в количестве 0,5-5,0% вес., так как он является наиболее тугоплавким компонентом из всех составляющих покрытие (Tпл=2700°C). В процессе эксплуатации изделий протекают реакции разложения гексаборида лантана

4LaB6+21O2=2La2O3+12 B2O3

В результате образуется стекловидная фаза на основе оксидов лантана и бора, которая отражает тепловой поток подобно боросиликатному стеклу и активно участвует в залечивании образующихся в процессе эксплуатации дефектов. Также происходит образование сложных шпинелей на основе , где лантан выступает в качестве атома замещения, благодаря чему увеличивается прочность покрытия.

Слои покрытия по толщине относятся между собой как 1:2,5:5, то есть слой на изделии составляет 20-30 мкм, средний слой - 50-70 мкм, а внешний слой - 100-150 мкм, и выбраны так, чтобы напряжения в системе покрытия углерод-углеродный композиционный материал были ниже предела прочности покрытия. Компоненты покрытия и толщина слоев были выбраны в соответствии с их коэффициентами термического расширения, который плавно повышается от слоя на изделии к внешнему слою, повышается и жаростойкость покрытия с увеличением толщины слоев.

Пример

Были изготовлены образцы изделий из углерод-углеродного керамического материала с предложенным многослойным жаростойким покрытием с различным содержанием гексаборида лантана во внешнем слое.

На предварительно отожженный в вакууме при температуре 1200°C в течение 1,5 часов углерод-углеродный композиционный материал наносили ZrN на установке ионно-плазменного напыления на прямоточном катоде при токе 90 А, напряжении 1,5 кВ в течение 1,5 часов толщиной 20-30 мкм. Далее наносили сплав MeCrAlY из полых гранул указанного состава методом плазменного напыления в защитной атмосфере в аргон- водородной плазме толщиной 50-70 мкм. После этого наносили порошок Al2O3-TiO2 в смеси LaB6 фракцией 50-70 мкм и 60-160 мкм.

Гексаборид лантана требуемой фракции приготавливался грануляцией порошка гексаборида лантана размером 4,65 мкм с использованием связующего поливинилового спирта (ПВС) с подсушкой в течение 1 часа и последующим просеиванием через соответствующее сито 160 мкм с обкаткой и разделением по фракциям от 0 до 63 мкм и 63-160 мкм. Полученный гранулированный порошок механически смешивали с порошком Al2O3-TiO2, загружали в бункер и наносили на слой MeCrAlY. В процессе нанесения гранулированного порошка происходило образование мелких капель, разводимых в стороны в плазменном потоке за счет выделения связующего, и получали равномерное покрытие с плотностью, близкой к плотности спеченной керамики. Высокая плотность покрытия способствует лучшей защите от агрессивных ионов кислорода, воздействию которых подвергается материал в процессе эксплуатации.

Результаты испытаний изделий приведены в таблице.

Как видно из таблицы, при содержании гексаборида лантана меньше 0,5% вес. покрытие выдерживает однократный цикл нагрев-охлаждение в течение 400 с при 2000°C, имеется сетка трещин с четкими краями. При 0,5% вес. гексаборида лантана покрытие выдерживает 8 циклов, сетка трещин имеет оплавленные края. При 1,5-3,0% вес. гексаборида лантана покрытие выдерживает более 15 циклов, сетка трещин не образуется, видны лишь отдельные следы, затекшие жидким стеклом. При содержании гексаборида лантана более 3,0% вес. покрытие выдерживает 30 циклов, поверхность покрытия гладкая стекловидная и не имеет трещин. При содержании гексаборида лантана более 5,5% вес. покрытие не выдерживает ни одного цикла работы из-за избытка стекловидной фазы, поверхность пронизана трещинами, имеются места раздува жидкого стекла до основы.

В процессе изучения покрытия также была определена прочность сцепления с основой при различном содержании модифицирующей добавки методом адгезионного царапания (скрабирования). Результаты показаны в таблице.

Проведенные испытания показали наличие фазы и шпинели с лантаном в качестве атома замещения. Проведение испытания на износостойкость показало работоспособность покрытия.

Многослойное жаростойкое покрытие, нанесенное на изделие из углерод-углеродного композиционного материала, содержащее слой ZrN, нанесенный на изделие, средний слой из Ni22Cr10AIY и внешний теплоизоляционный слой на основе системы оксид алюминия - оксид титана, отличающееся тем, что внешний слой дополнительно содержит гексаборид лантана при следующем соотношении компонентов в слое, вес.%:

гексаборид лантана (LaB6) 0,5-5,0
оксид титана (TiO2) 2,0-3,0
оксид алюминия (Al2O3) остальное

а слои покрытия: слой ZrN, слой Ni22Cr10AIY и слой Al2O3-TiO2-LaB6 относятся между собой по толщине как 1:2,5:5.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химико-термической обработке, а именно к процессу термодиффузионного цинкования стальных изделий в порошковых смесях. Порошковая смесь содержит 45-50 мас.% цинкового порошка, 5-7 мас.% активатора и остальное - инертный наполнитель.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью. В жаростойком металлокерамическом покрытии, состоящем из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, слои тугоплавких окислов дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов.

Изобретение относится к многослойной тонкой пленке для режущего инструмента, в которой отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из четырех тонких слоев, уложены в стопу более одного раза.

Изобретение относится к присадочным материалам для сварки плавлением, которые могут быть использованы для ремонта деталей газотурбинных двигателей, изготовленных из жаропрочных сплавов на основе никеля.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплозащитным покрытиям лопаток энергетических и транспортных турбин, и может быть использовано в других областях техники для защиты теплонагруженных конструкций.

Изобретение относится к области газотермического напыления покрытий, в частности к способам напыления жаростойких и теплозащитных покрытий. Наносят основной металлический жаростойкий подслой.

Настоящее изобретение относится к фрикционным деталям, работающим в среде со смазкой, содержащей модификатор трения, при этом по меньшей мере на одну из деталей нанесено покрытие, при этом модификатором трения является MoDTC, покрытие является отличным от DLC и для по меньшей мере одной детали является нитридом хрома, при этом нитрид хрома присутствует в кристаллизации со структурой типа NaCl с микротвердостью 1800+/-200 HV.

Изобретение относится к износостойким покрытиям, которые могут быть использованы в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания. Износостойкое покрытие для поршневых колец содержит, мас.%: Fe от 15 до 25, WC от 10 до 25 , Cr от 30 до 40, Ni от 10 до 25, Mo от 10 до 25, C от 1 до 10 , Si от 0,1 до 2, причем Cr присутствует в покрытии в элементарной форме и в форме карбида Cr2C3, при этом общая доля карбидов составляет от 15 до 50 мас.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке. Скользящий элемент содержит более мягкий материал по сравнению с алмазоподобным углеродом, который включен в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, которым скользящий элемент должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой скользящий элемент должен скользить.

Настоящее изобретение относится к триботехническому составу, характеризующемуся тем, что он выполнен в виде композиции, составленной из природных минералов, полученных при измельчении керна, взятого из нескольких скважин с разной глубины, при этом композиция содержит природные минералы при следующем соотношении компонентов, мас.%: Антигорит 5-7; Лизардит 1-3; Тремолит 1-5; Хлорит 23-35; Тальк 26-38; Карбонат 22-26; Магнетит 1-3; Примеси 1-3, причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас.% порошка и частицы размером не более 15 мкм.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при котором сначала наносят нижний слой из нитрида хрома, затем наносят верхний слой из нитрида соединения титана, хрома и молибдена при их соотношении, мас.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способу нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент, и может быть использовано в металлообработке.

Износостойкое покрытие для режущего инструмента может быть использовано в металлообработке. Покрытие представляет собой сложный нитрид титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала (TiZrNbVHfTa)N со стабильной однофазной структурой.

Группа изобретений относится к нанесению покрытий на подложки и может быть использовано для нанесения покрытий на поверхности инструментов и деталей. Сверло с покрытием, которое выполнено по меньшей мере на сверлильной головке сверла и имеет по меньшей мере один слой, нанесенный магнетронным распылением импульсами высокой мощности (HIPIMS-слой), который нанесен непосредственно на корпус сверла.
Изобретение относится к ионно-плазменному способу нанесения износостойких покрытий на поверхности изделий из металлов и других материалов. Способ нанесения износостойкого покрытия на основе нитрида углерода на изделие включает ионно-плазменную очистку и нагрев поверхности изделия до 200-450°C, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере аргона переходного слоя Ti, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере азота переходного слоя TiN, ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки CNx в атмосфере азота импульсным дуговым разрядом в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3, длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования импульсов 1-5 Гц.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ вакуумно-плазменного нанесения многослойного покрытия, включает нанесение нижнего слоя из нитрида хрома и нанесение верхнего слоя из нитрида соединения титана, кремния и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 93,1-95,0, кремний 1,0-1,4, молибден 4,0-5,5, при этом нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.

Предложен способ получения полых трубчатых нагревателей из композиционного материала на основе углерода, кремния и карбида кремния путем пропитки расплавленным кремнием предварительно сформированной трубы из углеграфитовых тканей.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к многослойным жаростойким покрытиям на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, и может быть использовано для деталей, работающих в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, например, для сопловых лопаток газотурбинных двигателей. Многослойное жаростойкое покрытие, нанесенное на изделие из углерод-углеродного композиционного материала, содержит слой ZrN, нанесенный на изделие, средний слой из Ni22Cr10AIY и внешний теплоизоляционный слой на основе системы оксид алюминия - оксид титана, при этом внешний слой дополнительно содержит гексаборид лантана при следующем соотношении компонентов в слое, вес.: гексаборид лантана 0,5-5,0, оксид титана 2,0-3,0, оксид алюминия - остальное, причем толщины слоев покрытия: слоя ZrN, слоя Ni22Cr10AIY и слоя Al2O3-TiO2-LaB6 относятся между собой как 1:2,5:5. Изобретение направлено на повышение твердости покрытия и его адгезии к подложке при снижении плотности покрытия и коэффициента термического расширения. 1 пр., 1 табл.

Наверх