СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 1996 года по МПК C23C4/12 C23C4/10 

Изобретение относится к способу защиты никелевых сплавов, из которых изготовляются теплонагруженные детали газотурбинных двигателей.

Жаропрочные никелевые сплавы при высоких температурах эксплуатации требуют защиты от окисления и перегрева.

Известен метод защиты никелевых сплавов силикатными эмалями, например, для защиты сплава ЖС6КП применяются эмали ЭВТ-41М, ЭВТ 13-11, ЭВТ-10 (Солнцев С. С. и Туманов А.Т. Защитные покрытия металлов при нагреве. М. Машиностроение, 1976).

Однако, при высоких температурах эксплуатации 1150-1200^оС эти покрытия обладают низкой жаростойкостью и теплозащитным эффектом. Кроме того при этих температурах возникают трудности в процессе нанесения.

Для защиты никелевых сплавов перспективно использование плазменных покрытий. Как правило используются двухслойные покрытия, состоящие из жаростойкого интерметаллидного слоя системы NiСrAl и теплозащитного слоя на основе ZrO_2.
Наиболее близким способом защиты к предлагаемому является способ защиты жаропрочных сплавов термобарьерным покрытием. Способ защиты жаропрочных сплавов на основе никеля или кобальта состоит из подготовки поверхности сплава, нанесении плазменным напылением связующего слоя на основе NiCrAl толщиной 80-200 мкм, нанесении плазменным напылением термобарьерного слоя на основе ZrO₂ Y₂O₃ (12 мас.) толщиной 250-750 мкм. В случае необходимости поверхность керамического покрытия может быть подвергнута механической обработке для снижения аэродинамических потерь.

Данная композиция обладает высокой жаростойкостью при 975^оС, циклической жаростойкостью при 1160^оС и термостойкостью при 1280^оС.

Показано, что слой ZrO₂ Y₂O₃ имеет более высокие характеристики, чем слои ZrO₂ МgО и ZrO₂ CaO.

Однако, данная композиция не может длительно работать при 1150-1200^оС (время до разрушения керамического слоя порядка 100 ч) из-за недостаточной жаростойкости плазменного слоя, обладающего пористостью и неравновесной структурой. Теплозащитный эффект керамического слоя при данных температурах также снижается из-за прозрачности слоя.

Цель изобретения повышение жаростойкости, термостойкости, теплозащитного эффекта для деталей из никелевых сплавов сложной формы при температурах порядка 1200^оС.

Цель достигается тем, что на поверхность детали жаростойкий подслой наносят диффузионным методом из порошков с последующим нанесением плазменным методом металлического слоя на основе NiСrAlCoYSi и керамического слоя на основе ZrO₂.

Металлический слой на основе NiCoCrAlYSi наносят толщиной 50-100 мкм следующего химического состава, мас. Со 0,5-1,5 Сr 2,5-3,5 АI 20-25 Y 0,25-0,5 Si 0,5-1
Ni Остальное
Керамический слой на основе ZrO₂ наносят толщиной 50-500 мкм следующего химического состава, мас. Al₂O₃ 2-15 Сr₂O₃ 2-10 NiO 2-15 SiO₂ 2-15 CoO ₂- 10 Y₂O₃ 2-15 ZrO₂ Остальное
При содержании компонентов менее указанной величины слабо проявляется их положительное влияние, при содержании компонентов выше указанной величины ярко выраженная многофазность отрицательно сказывается на свойствах слоя.

Новизной и существенным отличием предлагаемого технического решения является то, что жаростойкий подслой наносят методом диффузионного насыщения из порошков, производят легирование промежуточного слоя кремнием и керамического слоя оксидами алюминия, никеля, хрома, кремния, кобальта. Все это обеспечивает их совместимость, высокую жаростойкость, термостойкость и теплозащитный эффект. Проведение диффузионного насыщения позволяет нанести на детали сложной формы слой равномерной толщины, обладающий высокой жаростойкостью и совместимостью со сплавом.

П р и м е р. Изготавливаются 5 опытных партий порошка на основе NiCoCrAIYSi совместным восстановлением из окислов "кальцийгидридным методом.

Изготовляются смешением 5 опытных партий керамического порошка на основе оксидов циркония, иттрия, никеля, кремния, хрома, кобальта и алюминия.

Поверхность блока из сплава ЖС6У подвергается очистке и обезжириванию.

На подготовленную таким образом поверхность наносят диффузионный жаростойкий подслой методом диффузионного хромоалитирования в порошках в вакууме (5 ^.10^-2 1 ^.10^-1 мм рт.ст.) из известных составов.

Вариант 1. Насыщение проводится из смеси порошков: 46% хрома, 4% алюминия, 50% окиси алюминия, выдержки при 1190^оС в течение 5 ч.

Вариант 2. Насыщение проводится из смеси порошков: (46% хрома, 6% алюминия, 48% окиси алюминия, выдержка при 1190о в течение 5 ч. Коломыйцев П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М. Металлургия, 1979).

После этого подслой подвергается обдувке электрокорундом (630 мкм) при давлении сжатого воздуха 4-5 ати.

Затем блок обдувается сжатым воздухом.

Далее с помощью плазменной установки УПУ-3Д наносят промежуточный слой из порошкового сплава на основе NiAlCrCoYSi состава по верхним, средним, нижним и запредельным значениям (см. табл.1) толщиной 40-60 мкм, грануляция порошка 40-80 мкм. Режим напыления ток 300-400 А. Напряжение 50-60 В, дистанция напыления 90-100 мм.

Затем на той же установке наносят теплозащитный слой из смеси порошков состава по верхним, средним, нижним и запредельным значениям (см. табл.2), грануляция порошков 40-100 мкм. Режим напыления: ток 400-500 А, напряжение 60-70 В, дистанция напыления 80-90 мм. Толщина слоя 50-500 мкм.

Сопловые блоки из сплава ЖС6У с нанесенными покрытиями испытывали до разрушения керамического слоя на жаростойкость при 1200^оС и термостойкость (теплосмены 1200-200-1200^оС, τ_нагр τ_охл. 1 мин). На образцах из сплава ЖС6У определяли коэффициент теплопроводности керамического слоя при 1200^оС. Полученные данные сведены в табл.3. Из приведенных данных видно, что применение предлагаемого способа защиты по сравнению с известной композицией на сопловых блоках из сплава ЖС6У позволяет повысить служебные характеристики покрытия в 1,5-2 раза.

Жаростойкий диффузионный подслой кроме метода хромоалитирования из порошков может быть нанесен методами газового и шликерного хромоалитирования.

Способ защиты никелевых сплавов может быть применен для изготовления деталей горячего тракта ГТД сложной формы (например, сопловые лопатки и блоки турбины, камеры сгорания), что позволит повысить их срок службы и надежность в 1,5-2 раза.

Использование: нанесение высокотемпературных защитных покрытий при изготовлении деталей горячего тракта, работающих при температурах до 1200^oС. Сущность изобретения: на поверхность детали наносят жаростойкий подслой из порошков диффузионным методом с последующим напылением плазменным методом металлического слоя на основе NiCoCrAlSi Y и керамического слоя на основе диоксида циркония с добавками оксидов алюминия, хрома кобальта, иттрия, никеля и кремния. Способ защиты деталей сложной формы из никелевых сплавов предназначен для деталей горячего тракта 1ТД (например, сопловые лопатки и блоки турбины, камеры сгорания), работающих при температурах до 1200^oС. 3 табл.

СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, включающий нанесение жаростойкого слоя NiCrAl и теплозащитного керамического слоя на основе ZrO₂, отличающийся тем, что, с целью повышения жаростойкости, термостойкости и теплозащитного эффекта, жаростойкий слой наносят методом диффузионного хромоалитирования из порошков в вакууме, после чего наносят плазменным методом металлический слой на основе никеля состава, мас.%:
Кобальт - 0,5 - 1,5
Хром - 2,5 - 3,5
Алюминий - 20 - 25
Иттрий - 0,25 - 0,5
Кремний - 0,5 - 1
Никель - Остальное
и теплозащитного керамического слоя на основе ZrO₂ состава, мас.%:
Оксид алюминия - 2 - 15
Оксид никеля - 2 - 15
Диоксид кремния - 2 - 15
Оксид иттрия - 2 - 15
Оксид хрома - 2 - 10
Оксид кобальта - 2 - 10
Диоксид циркония - Остальное