ЛОПАТКА ТУРБИНЫ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/06 C23C14/58 

Изобретение относится к области изготовления лопаток турбины преимущественно авиационных двигателей.

Известна лопатка турбины с двумя слоями жаростойкого покрытия. Лопатка содержит в качестве основы жаростойкий жаропрочный металл, а в качестве жаростойкого покрытия многокомпонентный сплав на никелевой основе [1]
Покрытие получают осаждением в вакууме с последующим закреплением слоя посредством вакуумных диффузионных отжигов [1]
Жаростойкость, термостойкость, термостабильность теплозащитного покрытия определяют долговечность работы лопатки в составе двигателя. Термостойкость определяется обычно ускоренными испытаниями по режиму: нагрев лопатки до температуры, превышающей эксплуатационную, и ускоренное ее охлаждение в проточную воду комнатной температуры. Жаростойкость, термостойкость определяют непрерывным нагревом, обычно при температуре 1100^oC в окислительной среде в течение сотен часов до начала деструкции теплозащитного покрытия.

Известна лопатка, изготовленная из жаростойкого сплава типа ЖС-6, содержит покрытие из 2-х слоев; в первом слое следующее соотношение компонентов, мас.

Хром 16 18
Алюминий 11 13
Иттрий 0,25 0,3
Никель остальное,
во втором слое содержатся те же компоненты с дополнительным введением кобальта 8 10% для повышения жаростойкости.

После нанесения слоев лопатку подвергают первому вакуумному диффузионному отжигу при температуре 1050^oC в течение 3,5 4 часов для создания диффузионной зоны между основным металлом лопатки и покрытием. В известной лопатке свойства и адгезия металлического покрытия зависят от состава каждого слоя, от величины диффузионной зоны между основным металлом лопатки и металлом покрытия, толщина которого в среднем составляет 8 14 мкм. Жаростойкость покрытия зависит от соотношения входящих в него компонентов. Термостойкость определяется содержанием алюминия в составе слоя, который при термических испытаниях окисляется до Al₂O₃ с увеличением объема, что является одной из причин скалывания покрытия при испытаниях. Однако алюминий необходим в составе покрытия для увеличения степени сродства покрытия с основным металлом при формировании диффузионной зоны.

Для выравнивания остаточных напряжений после первого отжига поверхность покрытия обрабатывают микрошариками в течение 3-х минут и заканчивают процесс изготовления известной лопатки вторым вакуумным диффузионным отжигом при температуре 1050^oC в течение 3,5 4 часов.

Известная лопатка при термоциклических испытаниях по режиму: нагрев до температуры 1050^oC, охлаждение до 20^oC в проточную воду до появления сколов покрытия выдерживает до 10 термоциклов (вариант I, фиг. 1). При непрерывном нагреве при температуре 1100^oC в окислительной среде термостабильность известной лопатки составляет 400 часов, что недостаточно при работе серийного двигателя в условиях агрессивных сред (например, морской вариант), при значительном содержании в топливе вредных примесей, при искусственном увеличении температуры газа на входе турбины.

Известна лопатка с двухслойным покрытием. Первый слой связующий - представляет собой сплав хрома, алюминия, иттрия (иттербия) с никелем. Второй слой керамический барьерный теплозащитный из диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттербия. Керамический слой получают методом плазменного напыления на воздухе [2] Такая лопатка с керамическим покрытием позволяет повысить ресурс работы двигателя при увеличении температурного градиента на входе и выходе турбины.

Недостатком такой лопатки является незащищенность связующего слоя от окисления, обусловленная возможным проникновением через столбчатую структуру керамического поля вредных примесей продуктов сгорания топлива, а также от воздействия агрессивных сред, что значительно снижает жаростойкость и работоспособность металлического покрытия, а следовательно, ограничивает ресурс работы двигателя. Кроме того, получение металлического слоя методом плазменного напыления на воздухе приводит к повышению образования открытых пор, снижению плотности керамического слоя и формированию развитой поверхности с шероховатостью Δ 5 (не выше).

Задачей изобретения является исключение указанных недостатков, повышение ресурса работы лопатки в составе изделия.

Эта задача решается за счет того, что покрытие лопатки с первым жаростойким слоем и вторым керамическим содержит дополнительно подслой при следующем соотношении компонентов, мас.

подслой I слой
кобальт 10 11 кобальт 8 9
хром 22 24 хром 16 18
алюминий 4 -5 алюминий 11 13
иттрий 0,25 0,3 иттрий 0,25 0,3
никель остальное никель остальное.

При этом лопатку после нанесения жаростойкого слоя подвергают первому вакуумному диффузионному отжигу, затем обрабатывают микрошариками, проводят абразивно-жидкостную обработку и наносят на нее керамический слой методом конденсации и испарения в вакууме. После чего лопатку подвергают последовательно второму вакуумному диффузионному отжигу, окислительному отжигу, проводят термическое оплавление керамического слоя высокотемпературной импульсной плазмой и, наконец, проводят второй окислительный отжиг.

При решении указанной задачи создается технический результат, во-первых, за счет формирования связующего демпфирующего подслоя, который препятствует проникновению микродефектов, возникающих как при нанесении покрытия, так и при эксплуатации, а также обеспечивает согласованность покрытия с основной лопатки по коэффициенту термического расширения a, во-вторых, за счет количественного и качественного изменения составляющих компонентов, а именно введения кобальта в дополнительный подслой в количестве 10 11% уменьшение алюминия до 4 5% и увеличение хрома до 22 24% обеспечивает повышение пластичности и термостабильности подслоя. В-третьих, введение такой операции, как термическое оплавление керамического слоя высокотемпературной импульсной плазмой, позволяет улучшить шероховатость, уменьшив ее до 8-го класса, уменьшить количество открытых каналов по границам столбчатых зерен, что, в конечном итоге, позволяет увеличить термостойкость лопатки при одновременном увеличении термостабильности.

На лопатку из жаростойкого основного сплава типа ЖС-6 первым этапом наносится в вакууме методом конденсации и испарения на электронно-лучевой установке подслой жаростойкого покрытия следующего состава, мас.

кобальт 10 11
хром 22 24
алюминий 4 5
иттрий 0,25 0,3
никель остальное.

Затем вторым этапом на той же установке тем же методом наносится слой при следующем соотношении компонентов, мас.

кобальт 8 9
хром 16 18
алюминий 11 13
иттрий 0,25 0,3
никель остальное.

Затем лопатку подвергают первому вакуумному диффузионному отжигу на термовакуумной установке при температуре 1050^oC в течение 3,5 4 часов для создания диффузионной зоны между основным металлом лопатки и покрытием.

Далее лопатку обрабатывают в течение 5 минут микрошариками, после чего лопатка переходит на абразивно-жидкостную обработку на 20 секунд. Затем на лопатку на электронно-лучевой установке методом конденсации и испарения в вакууме наносят керамический слой следующего состава, мас.

Y₂O₃ 7 9
ZrO₂ остальное.

Такой метод получения керамического слоя дает более плотную его структуру.

Затем лопатку подвергают второму вакуумному диффузионному отжиму при температуре 1050^oC в течение 3,5 4 часов и первому окислительному отжигу при температуре 750^oC в течение 1 часа в обычной электрической печи на воздухе. После этого керамический слой лопатки оплавляют высокотемпературной импульсной, например водородной, плазмой с плотностью энергии 10⁵ 10⁹ Вт•см^-2 и временем воздействия 10^-7 10^-3 сек. Обработка ведется на ускорителе плазмы. В рабочем цикле сформированную "плазменную струю" диаметром 300 мм направляли на поверхность лопатки. При взаимодействии потока плазма с поверхностью керамического слоя 8% Y₂O₃ + ZrО₂ остальное, в этом слое на глубину до 20 мкм происходят изменения структуры и состава. Улучшается шероховатость от R_a 1,25 мкм до R_a 0,62 мкм, уменьшается количество открытых каналов по границам столбчатых зерен керамики, окислы компонентов под воздействием электродинамических процессов, развивающихся при поглощении энергии плазмы, восстанавливаются до смеси вида Zr + Zr₂O + ZrO>₂ + Y + Y₂O + Y₂O₃.

Заканчивают обработку лопатки вторым окислительным отжигом при температуре 750^oC в течение 1 часа. В термически оплавленном слое устанавливается равновесное состояние.

На фиг. 1 представлена зависимость термоциклов N от варианта технологии, где:
c1 первый слой состава 16% Cr + 13% Al + 0,25% Y + Ni остальное (аналог (1));
с1м первый слой предложенного состава 11% Со + 22% Cr + 5% Al + 0,25% Y + Ni остальное;
с2 второй слой состава 9% Co + 16% Cr + 13% Al + 0,25% Y + Ni остальное;
с3 третий слой состава 8% Y₂O₃ + ZrO₂ остальное;
вдо вакуумный диффузионный отжиг при температуре 1050^oC в течение 3,5 часов;
мш упрочнение микрошариками, 3 минуты;
ажо абразивно-жидкостная обработка в течение 20 секунд;
втип высокотемпературной импульсной плазмой обработка;
o окислительный отжиг при температуре 750^oC, 1 час.

Влияние изменения содержания компонентов в составе каждого слоя теплозащитного покрытия состоит в следующем. Уменьшение содержания алюминия до 4 5% для первого слоя способствует согласованности с химическим составом основы лопатки, увеличению пластичности, что замедляет распространение микротрещин из наружных слоев покрытия. Увеличение содержания алюминия более 13% приводит к увеличению хрупкости слоя. При уменьшении содержания кобальта менее 8% жаростойкость и пластичность слоя снижаются. Увеличение содержания кобальта до 10 11% в сочетании с увеличением хрома до 22 24% позволяет увеличить жаростойкость и термостабильность. Однако при содержании хрома менее 16% жаростойкость уменьшается, при содержании хрома более 24% жаростойкость увеличивается, но одновременно падает пластичность и увеличивается склонность к трещинообразованию. Кобальт способствует замедлению диффузионных процессов, однако, если кобальта больше 11% то нарушается согласованность коэффициента термического расширения слоя и основы. В керамическом слое уменьшение содержания окиси иттрия Y₂O₃ менее 7% снижает термостабильность, увеличение содержания окиси иттрия более 9% повышает пористость слоя и скорость окисления.

Результаты испытания лопатки турбины на термостойкость и термостабильность приведены в таблице 1.

Таким образом, нанесение на лопатку дополнительного демпфирующего жаростойкого подслоя и керамического слоя с введением в техпроцесс таких операций, как абразивно-жидкостная обработка, два окислительных отжига, а также термическое оплавление керамического слоя высокотемпературной импульсной плазмой позволяет защитить основу лопатки от проникновения микродефектов, снизить шероховатость поверхности при одновременном уменьшении открытых каналов в керамическом слое, что приводит к увеличению термостойкости и термостабильности лопатки, а значит, и к повышению ресурса ее работы в составе двигателя. ТТТ1

Использование: изобретение относится к области изготовления лопаток турбины преимущественно авиационных двигателей. Сущность изобретения: нанесение жаростойкого покрытия проводят в два этапа, причем подслой, наносимый первым этапом, содержит кобальта 10 - 11%, хрома 22 - 24%, алюминия 4 - 5%, иттрия 0,25 - 0,3%, никеля - остальное. После нанесения жаростойкого покрытия проводят последовательно вакуумный диффузионный отжиг, обработку микрошариками, абразивно-жидкостную обработку, наносят керамический слой методом конденсации и испарения в вакууме, проводят 2-й вакуумный диффузионный отжиг, окислительный отжиг, термическое оплавление керамического слоя высокотемпературной импульсной плазмой и заканчивают обработку вторым окислительным отжигом. 2 c.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Лопатка турбины, содержащая двухслойное покрытие с первым жаростойким слоем, включающим кобальт, хром, алюминий, иттрий и никель и вторым керамическим, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит подслой между основой лопатки и жаростойким слоем при следующем соотношении компонентов, мас.

Кобальт 10 11
Хром 22 24
Алюминий 4 5
Иттрий 0,25 0,3
Никель остальное,
причем первый слой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Кобальт 8 9
Хром 16 18
Алюминий 11 13
Иттрий 0,25 0,3
Никель Остальное
2. Способ изготовления лопатки турбины, включающий последовательное нанесение в вакууме жаростойкого слоя в два этапа и проведение двух вакуумных отжигов с промежуточной обработкой лопатки микрошариками, отличающийся тем, что после обработки микрошариками лопатку подвергают абразивной жидкостной обработке и наносят методом конденсации и испарения в вакууме керамический слой, а после второго вакуумного отжига проводят последовательно первый окислительный отжиг, термическое оплавление керамического слоя высокотемпературной импульсной плазмой и второй окислительный отжиг.