Способ получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов

Изобретение относится к способу получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов. Способ включает вакуумно-плазменное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку. Легирующие элементы наносят первым слоем в составе сплавов системы алюминий-кремний конденсационным методом, а вторым слоем - в составе сплавов системы алюминий-хром-иттрий-никель. Термическую обработку проводят последовательно после получения каждого слоя при температуре не выше 850°C. Нанесение первого слоя защитного покрытия осуществляют составом, содержащим, мас. %: кремний 0,1-1,65; и алюминий - остальное до 100%, а нанесение второго слоя защитного покрытия осуществляют составом, содержащим, мас. %: алюминий 5-12, хром 20-25, иттрий 0,01-3,0, никель - остальное до 100%. Изобретение обеспечивает повышение долговечности и ресурса лопаток турбомашин, изготовленных из жаропрочных титановых сплавов, при этом достигается повышение эрозионной стойкости и сопротивления высокотемпературному окислению. 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии в машиностроении и может использоваться для повышения долговечности деталей из титановых сплавов, работающих при высоких температурах, таких как лопатки последних ступеней компрессора и лопаток газовой турбины авиационных двигателей или газотурбинных установок различного назначения.

До температуры 600°С титан обладает хорошей коррозионной стойкостью, которая обеспечивается собственной пассивной оксидной пленкой, и диффузионные процессы в значительной мере заторможены. Однако при более высоких температурах ионы титана обладают высокой диффузионной подвижностью, в результате чего резко возрастает скорость окисления жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов титана, которые предназначены для работы при повышенных температурах [О.Н. Гребенюк, М.В. Зенина Окисление интерметаллидного сплава на основе Ti2АlNb при температурах до 800°С // Технология легких сплавов. 2010. №4. С. 36-40].

В известном способе (US №5837387 за 1988 г., В32В 15/16) нанесение жаростойкого покрытия осуществляется плазменным напылением слоя сплава системы Ti-Cr-Al в вакууме и защитное покрытие обеспечивается формированием барьерного слоя из γ-TiAl и фазы Лавеса TiCrAl. К недостаткам указанной технологии относятся высокая трудоемкость процесса формирования покрытия с барьером в виде фазы Лавеса TiCrAl, а также большая толщина покрытия и существенное снижение усталостной прочности деталей с покрытием.

Известен способ получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов, включающий вакуумно-плазменное конденсационное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток, термическую обработку (RU №2390578 за 2007 г., С23С 14/06). Данный патент взят в качестве прототипа.

К недостаткам технологии, изложенной в патенте, относится наличие в составе покрытия нитридов, карбидов или карбонитридов, обладающих высокой хрупкостью и низкой вязкостью разрушения. В то же время использование при подготовке поверхности лопаток электролитно-плазменного полирования приводит к нестабильности данного процесса, который трудно контролируется и легко переходит в эрозионный съем основного металла.

Технический результат заявленного изобретения - повышение жаростойкости изделий из титановых сплавов при температурах (600-850)°С достигается нанесением высокотемпературного металлического покрытия, обладающего высокими механическими свойствами.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов, включающем вакуумно-плазменное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку, сначала осуществляют вакумно-плазменное конденсационное осаждение первого слоя из легирующих элементов сплава системы алюминий - кремний, а затем - второго слоя из легирующих элементов сплава системы алюминий - хром - иттрий - никель, при этом термическую обработку проводят последовательно после получения каждого слоя при температуре не выше 850°С, причем первый слой защитного покрытия получают составом, содержащим, мас. %: кремний 0,1-1,65; и алюминий - остальное, а второй слой - составом, содержащим, мас. %: алюминий 5-12, хром 20-25, иттрий 0,01-3,0, никель - остальное.

Покрытие может состоять из двух или одного металлических слоев, в зависимости от предъявляемых требований к долговечности. Первое покрытие, содержащее, мас. %: кремний 0,1-1,65; алюминий - остальное и второе покрытие, содержащее, мас. %: хром 20-25, алюминий 5-12, иттрий 0,01-3,0, никель - остальное, наносят конденсационным методом. Основное назначение алюминия в составе первого покрытия состоит в том, чтобы при взаимодействии с титаном сформировать структуру, состоящую из соединений титана TiAl, TiAl3, TiSi2, Ti5Si3, обеспечивающих высокую жаростойкость покрытию и позволяющих сформировать защитную оксидную пленку из оксида алюминия, которая обладает низкой проницаемостью для кислорода и высокой адгезией к поверхности покрытия.

Кремний обеспечивает увеличение коррозионной стойкости покрытия благодаря увеличению адгезии оксидной пленки и уменьшению склонности пленки к скалыванию. Содержание кремния должно быть не выше 1,65% для того, чтобы не допускать образования легкоплавкой эвтектики, которая возможна при выходе за границу верхнего диапазона концентраций. Содержание кремния менее 0,1% недостаточно для заметного улучшения защитных свойств оксидной пленки. Усиление защитных свойств оксидной пленки наблюдается при введении кремния не менее 0,1%.

Второй слой покрытия наносят для дополнительного повышения долговечности деталей из титановых сплавов, работающих при более высоких температурах (850-1000)°С или длительной эксплуатации.

Основное назначение хрома в составе второго слоя покрытия состоит в обеспечении стойкости к коррозии при высоких температурах и предотвращении рассасывания покрытия. Для выполнения этих функций содержание хрома в слое должно быть не ниже 20%. При содержании хрома выше 25% возрастает вероятность формирования охрупчивающих топологически плотноупакованных фаз, которые отрицательно сказываются на механических свойствах материала покрытия.

Алюминий, образуя упрочняющую γ'-фазу, обеспечивает хорошую жаростойкость покрытия при высоких температурах. Содержание алюминия должно быть в мас. % 5-12. При выходе за верхнюю границу указанного диапазона (более 12%) ухудшается технологичность покрытия: возрастает количество хрупкой фазы β-NiAl в структуре покрытия, уменьшается адгезия и возрастает пористость. При содержании алюминия менее 5% заметно снижается жаростойкость покрытия. В итоге снижаются защитные свойства покрытия и характеристики его долговечности. Добавку иттрия вводят для улучшения адгезии оксидной пленки, которая более эффективна при комплексном микролегировании покрытия совместно с кремнием.

Положительный эффект от введения в покрытие иттрия получают при содержании иттрия в количестве не менее 0,01%. При введении иттрия в количестве больше 3,0% не происходит заметного повышения эффективности покрытия. Высокое содержание иттрия может вызвать ухудшение сопротивляемости высокотемпературному окислению.

Никель во втором слое покрытия является основой, в которой, в основном, содержится хром в составе твердого раствора и, кроме того, никель образует жаростойкое соединение NiAl, которое служит источником алюминия для формирования защитной оксидной пленки.

Таким образом, алюминид никеля β-NiAl и алюминий первого слоя обеспечивают покрытие запасом алюминия, достаточным для надежной длительной защиты деталей от высокотемпературного окисления в течение назначенного ресурса.

Термическую обработку деталей с покрытием проводят при температуре не выше 850°С, поскольку при более высоких температурах происходит рост зерна и снижение механических свойств материала деталей.

Способ реализуется следующим образом. В качестве примера выбран способ формирования покрытия на лопатке ротора компрессора высокого давления авиационного газотурбинного двигателя. Однако, данный способ может быть применен и для деталей, например, изготовленных из интерметаллидных титановых сплавов лопаток ротора турбины низкого давления, работающих при температурах 700-800°С, деталей реактивного сопла второго контура авиадвигателей из титановых орто- или γ-сплавов.

Пример. На деталь газотурбинного двигателя, изготовленного из титанового орто-сплава системы Ti2AlNb, содержащего, мас. %: Аl 11,8; Nb 41,2; Zr 2,2; Mo 0,5; Та 0,8; W 1,2; Si 0,23; С 0,06; Ti - остальное до 100%, наносили конденсационным методом (катодным распылением слитка в вакууме) покрытие на основе алюминия следующего состава, масс %: Si 0,8; Аl - остальное до 100%. Толщина нанесенного покрытия составляла 0,040-0,050 мм. Полученное покрытие имело структуру, состоящую из легированного кремнием твердого раствора Al(Si) на алюминиевой основе. Структура покрытия мелкозернистая. Затем проводили термическую обработку деталей в вакууме при температуре 700°С в течение 2 часов. Получали структуру, состоящую из γ-TiAl, γ1-TiAl3 и включений TiSi2, Ti5Si3. Данное покрытие обеспечивает создание запаса алюминия, достаточного для формирования на поверхности оксидной пленки Аl2О3, а добавка кремния обеспечила высокую адгезию и существенное усиление коррозионной стойкости. Испытания на жаростойкость, проведенные при температуре 700°С, подтвердили высокую сопротивляемость покрытия окислению на воздухе.

После получения первого слоя покрытия на него наносили второй слой покрытия на основе никеля конденсационным методом вакуумно-плазменного распыления слитка следующего состава, мас. %: Al 11,5; Cr 20; Y 0,6; Ni - остальное до 100%. Затем выполняли термическую обработку в вакууме при температуре 700°С в течение 2 часов. В результате получали комплексное покрытие, состоящее из двух слоев - первый слой на основе соединений титана с алюминием и кремнием и второй слой на основе соединений никеля с алюминием. Суммарная толщина комплексного покрытия составляет 0,05-0,07 мм. Применение данного способа получения покрытия обеспечивает повышение долговечности и ресурса лопаток турбомашин, изготовленных из жаропрочных титановых сплавов, при этом достигается повышение эрозионной стойкости и сопротивления высокотемпературному окислению.

Способ получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов, включающий вакуумно-плазменное конденсационное осаждение в качестве легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку, отличающийся тем, что сначала осуществляют вакумно-плазменное конденсационное осаждение первого слоя из легирующих элементов сплава системы алюминий - кремний, а затем второго слоя из легирующих элементов сплава системы алюминий - хром - иттрий - никель, при этом термическую обработку проводят последовательно после получения каждого слоя при температуре не выше 850°С, причем первый слой защитного покрытия получают составом, содержащим, мас. %: кремний 0,1-1,65; алюминий - остальное, а второй слой - составом, содержащим, мас. %: алюминий 5-12, хром 20-25, иттрий 0,01-3,0, никель - остальное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к подложке и способу ее изготовления. Подложка содержит множеством слоев, по меньшей мере один из которых включает оксиды металлов и имеет непосредственно поверх себя слой металлического покрытия, которое содержит по меньшей мере 8 масс.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области получения износостойких покрытий, и может быть использовано для повышения эксплуатационных свойств поверхностей изделий из алюминиевых, в том числе алюминиево-кремниевых, сплавов.
Изобретение относится к нанесению изоляционного покрытия на текстурованную электротехническую листовую сталь. Предложены варианты обрабатывающего раствора для нанесения не содержащего хрома изоляционного покрытия, содержащие одно или несколько соединений, выбранных из фосфатов Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, Al или фосфата Mn, а также коллоидный диоксид кремния в количестве 50-120 мас.

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.

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

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

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

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

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

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

Использование: изобретение относится к способу получения многослойной детали из титанового сплава. Осуществляют ионно-имплантационное модифицирование листовой детали из титанового сплава путем ионной имплантации азота, углерода или бора с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 35-50 мкА/см2 и флюэнсом 1016-1018 ион/см2 и постимплантационного отжига при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5×10-3 Па в течение 1,5-3,5 ч.

Изобретение относится к нанесению покрытия на поверхность стального изделия, применяемого для защиты от эрозионного износа рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.

Изобретение относится к области технологий по упрочнению поверхностных слоев металлических деталей, сочетающих лазерные и водородные технологии по созданию наклепа поверхностных слоев деталей машин, подвергающихся знакопеременным нагрузкам, и может быть использовано в технологии изготовления лопаток компрессоров и турбин, применяемых в самолетостроении.

Способ включает в себя формирование заданной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза с помощью имплантации ионами бора с энергией 10-100 кэВ, дозой облучения 1⋅1015-1.0⋅1020 ион/см2 через поверхностную маску.

Изобретение относится к способам защиты металлов от коррозии, в частности к способу нанесения защитного покрытия на подложку из железа, и может быть использовано для изготовления изделий и деталей, работающих в агрессивных средах, для нефтяной, газовой, химической и других отраслей промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к модификации изделий из твердых сплавов, применяемых в машиностроении для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов, например, фрезерованием.

Изобретение относится к способу нанесения твердых износостойких наноструктурных покрытий из аморфного алмазоподобного углерода и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, химической промышленности.
Изобретение относится к способу защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии. Осуществляют упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом.
Изобретение относится к способу упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для оптимизации технологического процесса сверхпластической деформации ответственных силовых деталей: лопасти компрессоров ГТД, валы, роторы и т.д.

Группа изобретений относится к получению содержащего нитрид хрома порошка для термического напыления покрытий в виде спекшихся агломератов. Способ включает следующие стадии: a) приготовление порошковой смеси (А), содержащей порошок (В), содержащий по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, включающей хром (Cr), CrN и Cr2N, и порошок (С), содержащий по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, включающей никель, кобальт, никелевый сплав, кобальтовый сплав и железный сплав, b) спекание порошковой смеси (А) при парциальном давлении азота выше 1 бар с получением спекшихся агломератов, при этом обеспечивают неизменное содержание химически связанного азота или увеличение содержания химически связанного азота по сравнению с порошковой смесью (А).

Изобретение относится к способу получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов. Способ включает вакуумно-плазменное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку. Легирующие элементы наносят первым слоем в составе сплавов системы алюминий-кремний конденсационным методом, а вторым слоем - в составе сплавов системы алюминий-хром-иттрий-никель. Термическую обработку проводят последовательно после получения каждого слоя при температуре не выше 850°C. Нанесение первого слоя защитного покрытия осуществляют составом, содержащим, мас. : кремний 0,1-1,65; и алюминий - остальное до 100, а нанесение второго слоя защитного покрытия осуществляют составом, содержащим, мас. : алюминий 5-12, хром 20-25, иттрий 0,01-3,0, никель - остальное до 100. Изобретение обеспечивает повышение долговечности и ресурса лопаток турбомашин, изготовленных из жаропрочных титановых сплавов, при этом достигается повышение эрозионной стойкости и сопротивления высокотемпературному окислению. 1 пр.

Наверх