Защитное покрытие и компонент газовой турбины с таким покрытием

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям для компонентов газовой турбины. Защитное покрытие компонента газовой турбины содержит, вес.%: Со 15-39, Cr 10-25, Al 5-15, Y 0,05-1, Fe 0,5-10, Mo 0,05-2, никель и примеси - остальное. Защитное покрытие характеризуется высокой стойкостью к окислению и коррозии. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к защитному покрытию для компонента газовой турбины.

Лопастная машина, в частности газовая турбина, содержит турбину, в которой горячий газ, предварительно уплотненный в компрессоре и нагретый в камере сгорания, расширяется для производства работы. Термодинамический кпд газовой турбины тем больше, чем выше температура горячего газа на входе в турбину. Однако в отношении термодинамической нагрузки компонентов газовой турбины, в частности, ее направляющих и рабочих лопаток, а также корпуса действуют пределы.

Следовательно, существует необходимость в создании компонентов газовой турбины, которые, несмотря на возможно высокую термическую нагрузку, обладали бы достаточно высокой химической стойкостью при ее работе. Известно, что на компоненты газовой турбины наносятся защитные покрытия в целях защиты расположенных под ними компонентов газовой турбины от окисления и коррозии. Традиционно защитное покрытие состоит из сплава MCrAlX, причем М означает никель (Ni) и/или кобальт (Со), X означает, например, иттрий (Y), рений (Re), гадолиний (Gd), лантан (La), платину (Pt) и/или редкоземельный металл. При нанесении защитного покрытия на компонент газовой турбины происходит окисление алюминия в защитном покрытии и образующийся при этом оксид алюминия обеспечивает хорошее сцепление с компонентом газовой турбины, защищая его от окисления и коррозии.

Среди названных выше элементов для X речь идет об элементах, которые в прошлые годы характеризовались драматическим удорожанием, вследствие чего обычные защитные покрытия оказались дорогостоящими. Кроме того, включения оксида иттрия в слое оксида алюминия приводили к высокой скорости диффузии кислорода, что вызывало более быстрое окисление защитного покрытия. Окисление защитного покрытия ведет к тому, что расположенный под ним компонент газовой турбины не является более защищенным, что сокращает его долговечность.

Задачей изобретения является создание защитного покрытия и компонента газовой турбины с таким защитным покрытием, причем защитное покрытие не должно быть дорогостоящим, а компонент газовой турбины должен обладать длительным сроком службы.

Эта задача решается посредством признаков пунктов 1 и 7 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения приведены в зависимых пунктах формулы.

Защитное покрытие согласно изобретению содержит: 15-39 вес. % кобальта (Со), 10-25 вес. % хрома (Cr), 5-15 вес. % алюминия (Al), 0,05-1 вес. % иттрия (Y) и 0,5-10 вес. % железа (Fe). Остальное, согласно изобретению, - никель и неизбежные примеси.

Факультативными дополнительными составными частями защитного покрытия могут также служить Mo, Si, Та и/или Hf.

Защитное покрытие обеспечивает эффективную защиту от окисления и коррозии. Кроме того оно является дешевым за счет незначительного содержания ценных элементов. Благодаря присутствию железа в защитном покрытии дополнительно достигается стабилизация богатых алюминием фаз.

При нанесении защитного покрытия или при воздействии горячих газов на защитное покрытие оксид алюминия может окисляться в защитном покрытии и на поверхности этого покрытия образуется слой из оксида алюминия. Поскольку содержание иттрия в защитном покрытии является незначительным, то в слое из оксида алюминия образуются лишь немногие включения оксида иттрия. В результате в защитное покрытие может проникать лишь малое количество кислорода, за счет чего срок службы защитного покрытия удлиняется.

Предпочтительно защитное покрытие содержит 0,05-2 вес. % молибдена (Мо). Также предпочтительно, чтобы в защитном покрытии содержался кремний (Si) в количестве от 0 до 4 вес. %. В защитном покрытии содержится предпочтительно тантал (Та) в количестве от 0 до 2 вес. %. Также предпочтительно, чтобы в защитном покрытии содержался гафний (Hf) в количестве от 0 до 2 вес. %.

Содержание серы (S) в защитном покрытии составляет предпочтительно менее 8*10^-6 вес. %. В результате дополнительно возрастает срок службы защитного покрытия.

Также изобретение относится к применению описанного выше защитного покрытия для компонента газовой турбины, в частности, для турбинных лопаток или для компонента камеры сгорания.

Компонент газовой турбины согласно изобретению содержит защитное покрытие. Он имеет предпочтительно подложку, на которую наносится защитное покрытие, причем подложка состоит из жаропрочного сплава на основе никеля и/или жаропрочного сплава на основе кобальта. Компонент газовой турбины характеризуется благодаря наличию защитного покрытия большой долговечностью при эксплуатации газовой турбины. Защитное покрытие имеет предпочтительно толщину от 30 до 800 мкм.

Защитное покрытие наносится предпочтительно способом термического напыления, в частности, на воздухе, в вакууме или в атмосфере защитного газа, и/или способом физического осаждения паров (physical vapour desposition: PVD).

Ниже поясняется предпочтительный вариант выполнения компонента газовой турбины согласно изобретению посредством приложенного схематического чертежа. На единственной фигуре показано сечение согласно варианту выполнения.

Как следует из чертежа, компонент 1 газовой турбины содержит подложку 2, защитное покрытие 3 и керамический слой 4. Подложка 2 представляет собой, например, направляющую лопатку или рабочую лопатку газовой турбины. При этом подложка выполнена из жаропрочного сплава на основе никеля или из жаропрочного сплава на основе кобальта.

Непосредственно на подложку 2 наносится защитное покрытие 3 толщиной от 30 до 800 мкм. При этом защитное покрытие наносится способом термического напыления или способом физического осаждения паров на подложку 2 следующего состава: 15-39 вес. % Со, 10-25 вес. % Cr, 5-15 вес. % А1, 0,05-1 вес. % Y, 0,5-10 вес. % Fe, 0,05-2 вес. % Мо, 0-4 вес. % Si, 0-2 вес. % Та, 0-2 вес. % Hf, остальное - Ni и примеси. Среди примесей доля серы составляет менее 8*10^-6 вес. %.

В результате окисления алюминия на обращенной от подложки 2 поверхности защитного покрытия 3 образуется слой оксида алюминия, защищающий подложку 2 от окисления и коррозии. Непосредственно на защитном покрытии 3 находится керамический слой 4, содержащий, например, оксид циркония или стабилизированный оксидом иттрия оксид циркония.

Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью нескольких примеров.

Первое приводимое в качестве примера защитное покрытие 3 содержит 20 вес. % Со, 20 вес. % Cr, 10 вес. % А1, 0,1 вес. % Y, 5 вес. % Fe и 44,9 вес. % Ni, а также примеси в небольших количествах.

Второе приводимое в качестве примера защитное покрытие 3 содержит 30 вес. % Со, 15 вес. % Cr, 15 вес. % Al, 0,3 вес. % Y, 8 вес. % Fe, 1 вес. % Мо и 30,7 вес. % Ni, а также примеси в небольших количествах.

Третье приводимое в качестве примера защитное покрытие 3 содержит 12 вес. % Со, 12 вес. % Cr, 15 вес. % Al, 0,5 вес. % Y, 10 вес. % Fe, 1 вес. % Мо, 3 вес. % Si, 0,5 вес. % Та, 0,5 вес. % Hf и 45,5 вес. % Ni, а также примеси в небольших количествах.

Для трех приведенных в качестве примера компонентов газовой турбины три служащих примером защитных покрытия были нанесены способом термического напыления на подложку из жаропрочного сплава на основе никеля.

1. Защитное покрытие компонента газовой турбины, содержащее, вес.%:

Со	15-39
Cr	10-25
Al	5-15
Y	0,05-1
Fe	0,5-10
Mo	0,05-2
никель и примеси	остальное

2. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один из: Si≤4, Та≤2, Hf≤2 вес.%.

3. Защитное покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что содержание S≤8*10^-6 вес.%.

4. Компонент газовой турбины с защитным покрытием (3) по любому из пп. 1-3.

5. Компонент по п. 4, отличающийся тем, что он содержит подложку (2), на которую нанесено защитное покрытие (3), причем подложка (2) выполнена из жаропрочного сплава на основе никеля или жаропрочного сплава на основе кобальта.

6. Компонент по п. 4 или 5, отличающийся тем, что защитное покрытие (3) имеет толщину от 30 до 800 мкм.

7. Компонент по п. 5, отличающийся тем, что защитное покрытие (3) нанесено на подложку (2) методом термического напыления, в частности, на воздухе, в вакууме или в атмосфере защитного газа, и/или путем физического осаждения паров.

8. Компонент по п. 6, отличающийся тем, что защитное покрытие (3) нанесено на подложку (2) методом термического напыления, в частности, на воздухе, в вакууме или в атмосфере защитного газа, и/или путем физического осаждения паров.