Улучшенная износостойкость высокотемпературной конструкционной детали, придаваемая кобальтовым покрытием

Изобретение относится к покрытой высокотемпературной конструкционной детали с кобальтовым покрытием. Высокотемпературная конструкционная деталь содержит металлическую подложку (4, 4') из жаростойкого сплава, причем жаростойкий сплав представляет собой сплав на основе никеля или кобальта и имеет первое содержание углерода. На боковых поверхностях подложки (4, 4') нанесено металлическое защитное покрытие (7, 7'), а непосредственно на прилегающей к металлическому покрытию поверхности (14, 20, 23) подложки (4, 4') нанесен слой (13, 13') из сплава на основе кобальта, имеющий содержание углерода, превышающее упомянутое первое содержание углерода в подложке (4, 4'). Упомянутый слой (13, 13') из сплава на основе кобальта выполнен тоньше, чем упомянутое металлическое покрытие (7, 7'). Обеспечивается улучшение износостойкости детали, в связи с чем могут быть продлены интервалы технического обслуживания. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к высокотемпературной конструкционной детали, в которой применяется слой из кобальтового базового сплава, чтобы повысить износостойкость.

В частности, вершины лопастей турбинных лопаток в высокотемпературной области, так называемые «верхушки», испытывают повышенный износ, который обусловливается эрозионным уносом материала.

Это приводит к тому, что вершины рабочих лопаток необходимо регулярно обрабатывать для восстановления профиля разнообразными способами ремонта, такими как наварка или напайка.

Поэтому задача изобретения состоит в разработке способа, которым улучшается износостойкость, благодаря чему могут быть продлены интервалы технического обслуживания.

Задача решается с помощью конструкционной детали согласно п. 1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения перечислены дополнительные предпочтительные меры, которые могут быть произвольным образом комбинированы между собой для достижения дополнительных преимуществ.

При этом предлагается высокотемпературная конструкционная деталь, содержащая металлическую подложку из жаростойкого сплава, причем жаростойкий сплав представляет собой сплав на основе никеля или кобальта и имеет первое содержание углерода, причем на боковых поверхностях подложки нанесено металлическое защитное покрытие, а непосредственно на прилегающей к металлическому покрытию поверхности подложки нанесен слой из сплава на основе кобальта, имеющий содержание углерода, превышающее упомянутое первое содержание углерода в подложке, при этом упомянутый слой из сплава на основе кобальта выполнен тоньше, чем упомянутое металлическое покрытие.

Целесообразно, если слой из сплава на основе кобальта нанесен локально, в частности в области с повышенной эрозионной нагрузкой детали, в частности в области плоской гладкой вершины турбинной лопатки или вершины наружной стенки турбинной лопатки с углублением.

Целесообразно, если подложка из жаростойкого сплава выполнена ориентированно закристаллизованной и имеет столбчатую или монокристаллическую структуру.

Предлагается нанесение слоя из кобальтового базового сплава, который известен как материал подложки или подобный ему, на область конструкционной детали, которая подвергается износу, причем конструкционная деталь предпочтительно имеет сплав на основе никеля в качестве материала подложки, содержание углерода в котором является меньшим, чем в кобальтовом базовом сплаве. При высоких эксплуатационных температурах это обусловливает диффузию углерода от покрытия в основной материал, что, как правило, нежелательно, но здесь приводит к повышенному содержанию карбида в подложке и тем самым к более высокой твердости и поэтому более высокой износостойкости.

Одним примером подложки на основе никеля является материал лопатки PWA1483, на который нанесен сплав на основе кобальта PWA795.

В общем и целом, это приводит к карбидам типа MC и M23C6, которые обеспечивают повышенную твердость и тем самым более высокую износостойкость.

Также целесообразно, если упомянутый слой из сплава на основе кобальта выполнен по меньшей мере на 10% тоньше, чем металлическое покрытие, причем предпочтительно, если слой из сплава на основе кобальта имеет толщину от 1 до 100 мкм.

Как показано:

Фигуры 1, 2 представляют примеры осуществления изобретения.

Фигура 3 представляет список жаростойких сплавов.

Фигуры и описание представляют только примеры осуществления изобретения.

Фигура 1 показывает подложку 4, которая имеет покрытие. Подложка 4, 4' (Фиг. 2), в частности в высокотемпературных конструкционных деталях, таких как турбинные лопатки 120, 130, представляет собой жаростойкий сплав на основе никеля или кобальта, в особенности на основе никеля (Фиг. 3). Подложка 4, 4' имеет первое содержание углерода. На боковые поверхности подложки 4, 4' наносится металлическое защитное покрытие 7, 7' (Фиг. 2) и/или керамическое защитное покрытие 10, 10' (Фиг. 2).

Металлическое защитное покрытие 7, 7' предпочтительно не содержит углерод (С) и имеет, в частности, состав NiCoCrAl или NiCoCrAlX (X=Y, Re), NiCoCrAlTa, NiCoCrAlFe, NiCOCrAlYFe, NiCoCrAlYFeTa, NiCoCrAlFeTa или NiCoCrAlYTa, в частности состоит из них. Уровни содержания тантала (Та) или железа (Fe) варьируют в заданном процентном диапазоне, в частности <=5 вес.%.

Плоская вершина 19, 19' лопатки (Фиг. 2) согласно прототипу часто не имеет покрытия, так что свободный конец 19 подложки 4, 4' подвергался бы повышенному износу.

На эту остающуюся свободной поверхность 14, 20, 23 (Фиг. 2) подложки 4, 4' наносится слой 13, 13' (Фиг. 2) из кобальтового базового сплава.

Этот кобальтовый базовый сплав имеет более высокое содержание углерода (С), чем подложка 4, 4', причем абсолютная разность в содержании углерода в подложке 4, 4' и в слое 13, 13' составляет по меньшей мере 0,03 вес.%.

В Фигуре 2 показан дополнительный пример исполнения, в котором вершина 19' выполнена в виде вершины, которая имеет наружную стенку 23 с углублением 20. Здесь так же, как в Фигуре 1, имеются металлические 7' и керамические 10' покрытия.

Там 20, 23 также на подложку 4' в области 19' наносится слой 13' из сплава на основе кобальта.

Без дополнительной термической обработки конструкционной детали согласно Фигуре 1, 2 это после известной продолжительности эксплуатации конструкционной детали при повышенных температурах уже после 100 часов при температуре 1173-1223 К приводит к диффузии углерода (С) из тонкого, предпочтительно с толщиной 0,1 мм, слоя 13, 13' на основе кобальта в подложку 4, 4'.

На слоях 13, 13' предпочтительно может присутствовать керамический слой, при необходимости сопряженный с керамическими слоями 10, 10'.

Сплав на основе никеля в подложке 4, 4' предпочтительно имеет по меньшей мере хром (Cr), кобальт (Со), вольфрам (W), алюминий (Al), титан (Ti), необязательно тантал (Та) и предпочтительно не содержит рений (Re) и предпочтительно не включает иттрий (Y).

Сплав на основе кобальта имеет по меньшей мере хром (Cr), никель (Ni), вольфрам (W), необязательно (тантал), алюминий (Al), титан (Ti) и предпочтительно не содержит рений (Re) и предпочтительно не включает иттрий (Y).

1. Высокотемпературная конструкционная деталь, содержащая металлическую подложку (4, 4') из жаростойкого сплава, причем жаростойкий сплав представляет собой сплав на основе никеля или кобальта и имеет первое содержание углерода, причем на боковых поверхностях подложки (4, 4') нанесено металлическое защитное покрытие (7, 7'), а непосредственно на прилегающей к металлическому покрытию поверхности (14, 20, 23) подложки (4, 4') нанесен слой (13, 13') из сплава на основе кобальта, имеющий содержание углерода, превышающее упомянутое первое содержание углерода в подложке (4, 4'),

при этом упомянутый слой (13, 13') из сплава на основе кобальта выполнен тоньше, чем упомянутое металлическое покрытие (7, 7').

2. Конструкционная деталь по п. 1, в которой слой (13, 13') из сплава на основе кобальта нанесен локально, в частности в области (19, 19') с повышенной эрозионной нагрузкой детали.

3. Конструкционная деталь по п. 1, в которой металлическое защитное покрытие (7, 7') подложки (4, 4') покрыто керамическим защитным покрытием (10, 10').

4. Конструкционная деталь по п. 1 или 3, в которой упомянутое металлическое покрытие (7, 7') не содержит углерод (С).

5. Конструкционная деталь по п. 2, в которой область (19) с повышенной эрозионной нагрузкой детали представляет собой плоскую гладкую вершину (19) турбинной лопатки.

6. Конструкционная деталь по п. 2, в которой область (19') с повышенной эрозионной нагрузкой детали представляет собой вершину (19') наружной стенки (23) турбинной лопатки с углублением (20).

7. Конструкционная деталь по п.1, в которой абсолютная разность в содержании углерода в подложке (4, 4') и в слое (13, 13') из сплава на основе кобальта составляет по меньшей мере 0,03 мас.%.

8. Конструкционная деталь по п. 1, в которой подложка (4, 4') из жаростойкого сплава выполнена ориентированно закристаллизованной и имеет столбчатую или монокристаллическую структуру.

9. Конструкционная деталь по п. 1, в которой слой (13, 13') из сплава на основе кобальта дополнительно выполнен частично перекрывающим металлическое покрытие (7, 7').

10. Конструкционная деталь по п. 1, в которой слой (13, 13') из сплава на основе кобальта выполнен по меньшей мере на 10% тоньше, чем металлическое покрытие (7, 7').

11. Конструкционная деталь по п. 1, в которой подложка (4, 4') из жаростойкого сплава выполнена из сплава на основе никеля, содержащего по меньшей мере хром (Cr), кобальт (Со), вольфрам (W), алюминий (Al), титан (Ti), необязательно тантал (Та), предпочтительно не содержащего рений (Re) и предпочтительно не содержащего иттрий (Y).

12. Конструкционная деталь по п. 1, в которой слой (13, 13') из сплава на основе кобальта выполнен из сплава, содержащего по меньшей мере хром (Cr), никель (Ni), вольфрам (W), необязательно тантал (Та), алюминий (Al), титан (Ti), предпочтительно не содержащего рений (Re) и предпочтительно не содержащего иттрий (Y).

13. Конструкционная деталь по п.1, в которой металлическое покрытие (7, 7') не содержит углерод и, в частности, содержит NiCoCrAl, NiCоCrAlY, NiCoCrAlTa или NiCoCrAlFe, NiCOCrAlYFe, NiCoCrAlYFeTa, NiCoCrAlFeTa или NiCoCrAlYTa, в частности состоит из них.

14. Конструкционная деталь по п. 1, в которой слой (13, 13') из сплава на основе кобальта имеет толщину от 1 до 100 мкм.

15. Конструкционная деталь по п. 1, которая выполнена в виде турбинной лопатки.