СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКУ ТУРБИНЫ Российский патент 1997 года по МПК C23C14/06 C23C14/58 

Изобретение относится к области изготовления лопаток турбины преимущественно газотурбинных двигателей, а именно к способам нанесения теплозащитных покрытий в вакууме.

Известен способ нанесения покрытий электронно-лучевым осаждением в вакууме. Состав CoCrAlY. Затем изделие подвергается упрочнению дробеструйной обработкой стеклянными микрошариками [I]
Однако, стеклянные микрошарики дают грубую поверхность порядка ▿5-▿6 при этом поверхность упрочняется на глубину не более 30 мкм.

Известен способ нанесения 2-слойного покрытия на лопатку, включающий подготовительные операции, абразивно-жидкостную обработку, обработку шлифпорошком, а также нанесение на электронно-лучевой установке методом вакуумного испарения и конденсации 2-х слоев: 1-й слой на нагретую до температуры 900-950^oC лопатку наносится химический состав на никелевой основе, легированный хромом 16-18% алюминием 11-13 иттрием 0,25-0,5 до толщины 40-70 мкм; 2-й слой -также на нагретую лопатку наносится химический состав на никелевой основе, легированный хромом 16-18% алюминием 11-13 кобальтом 7-9 иттрием 0,25-0,5 до толщины 20-40 мкм. Затем проводят диффузионный вакуумный отжиг при температуре 1050^oC в течение 3,5-4 ч, далее микрошариками упрочняют структуру покрытия в течение 3 мин с образованием сжимающих напряжений в слое толщиной 30 мкм, которые затем снимаются вторым диффузионным вакуумным рекристаллизационным отжигом в течение 2 ч при температуре 1050^oC [2]
Однако, лопатка с покрытием по этому способу имеет ресурс не более 400 ч при работе в окислительной среде, что недостаточно для серийного двигателя, работающего в условиях агрессивных сред, например "морской" вариант, при значительном содержании в топливе вредных примесей, при искусственном увеличении температуры газа на входе турбины.

Целью изобретения является повышение ресурса работы лопатки в составе двигателя.

Цель достигается тем, что за счет создания 3-слойной конструкции теплозащитных покрытий, а именно в состав 1-го слоя покрытия добавляют легирующий элемент кобальт 7-9% затем наносят второй слой, который содержит следующие компоненты, мас.

Никель 13-16
Иттрий 1,5-1,8
Алюминий остальное,
причем толщина покрытия уменьшена за счет уменьшения толщины 1-го слоя 15-30 мкм. После нанесения второго слоя проводят последовательно диффузионный вакуумный отжиг, виброшлифование, обдувку шлифпорошком 25 А N 6П. Затем наносят 3-й слой керамический, проводят второй диффузионный вакуумный отжиг, заканчивают способ окислительным отжигом.

Основным требованием, предъявляемым к теплозащитным покрытиям (ТЗП), является ограничение теплового потока, идущего от продуктов сгорания топлива к основному металлу.

Благодаря низкой теплопроводности керамического слоя в ТЗП создается технический результат увеличивается перепад температуры, способствующий при заданной температуре наружной поверхности снижению температуры внутренней поверхности лопатки, охлаждаемой конвективным методом.

Лопатку из сплава типа ЖС предварительно подвергают абразивно-жидкостной обработке, затем обдувают шлифпорошком 25А N 6П на пескоструйной установке с подачей сжатого воздуха под давлением (2-4)•10⁵ Па до создания шероховатости не ниже ▿6.

После окончания подготовительной обработки на лопатку методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий наносят первый слой, содержащий следующие компоненты, мас.

Кобальт 7-9
Хром 16-18
Алюминий 11-13
Иттрий 0,25-0,5
Никель Остальное
Обработка ведется до образования толщины слоя 15-30 мкм.

Система покрытия Ni-Co-Cr-Al-γ содержащая кобальта 7-9% со сложной структурой b-γ-γ′ имеет модуль упругости ниже, чем у сплава типа ЖС, что является благоприятным моментом для обеспечения минимальных напряжений в системе сплав-покрытие, а значит согласуется со сплавом по термическому коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с минимальными напряжениями .

Кобальт 7-9% в никелевом сплаве увеличивает пластичность, способствует замедлению диффузионных процессов, увеличивает термическую стабильность покрытия. На границе с основой покрытие Ni-Co-Cr-Al-γ толщиной максимум 30 мкм имеет максимальную долговечность в ходе усталостных испытаний. Затем на лопатку методом ВПТВЭ наносят второй жаростойкий слой, содержащий следующие компоненты, мас.

Никель 13-16
Иттрий 1,5-1,8
Алюминий Остальное
до толщины 20-40 мкм. Такая система алюминий-никель-иттрий при создании покрытия с высоким показателем циклической жаростойкости, термостойкости и сопротивлением высокотемпературной сульфидной коррозии оказалась наиболее оптимальной. Так, алюминий в качестве основы придает жаростойкость слою, а иттрий в количестве 1,5-1,8% улучшает адгезию окислов, образующихся на поверхности покрытия. Никель в количестве 13-16% увеличивает пластичность, стабилизирует структуру покрытия.

Далее лопатку подвергают диффузионному вакуумному отжигу при температуре 1000^oC в течение 4-4,5 ч. При этом характер процесса формирования диффузионного покрытия подобен насыщению через жидкую фазу, а именно на поверхности лопаток происходит расплавление слоя осажденного алюминиевого сплава, растворение в нем тонкого слоя с образованием диффузионной зоны 1-го слоя с основой и второго слоя с первым и наружной зоны со стойкой окисной пленкой из Al₂O₃. Покрытие толщиной 20-40 мкм обладает высокими жаростойкостью и сопротивлением высокотемпературной сульфидной коррозии, и не ухудшает основных механических свойств жаропрочных сплавов.

После остывания поверхность лопатки подвергают пластическому деформированию путем виброшлифования на вибрационной установке в среде с фарфоровыми трехгранными призмами в течение 45-50 мин с амплитудой колебаний 3^-0,5 мм. Обработка ведется до создания тонкого плотного эластичного слоя окисной пленки Al₂O₃ с формированием определенного упорядоченного рельефа (▿7-▿8) и уровня сжимающих напряжений на глубину 60-80 мкм, затем обдувают шлифпорошком 25 А N 6П (5П). Обдувка ведется на пескоструйной установке с подачей чистого сжатого воздуха под давлением (2-4)•10⁵ Па в течение 2-3 мин и с замкнутым циклом подачи электрокорунда до создания однородной поверхности с шероховатостью не ниже ▿6. Затем лопатка обдувается воздухом от остатков электрокорунда. На очищенную лопатку наносят на электронно-лучевой установке методом конденсации и испарения в вакууме керамический слой следующего состава, мас.

Y₂O₃ 7-9
ZrO₂ Остальное
После нанесения слоя керамики толщиной 70-100 мкм лопатку подвергают второму диффузионному отжигу при температуре 1020^oC в течение 2 ч.

Далее лопатку подвергают окислительному отжигу при температуре 750^oC в течение 1,5-2 ч. Прозрачный для проникновения кислорода керамический слой позволяет при окислительном отжиге создать примыкающий к керамике слой, состоящий из Al₂O₃, способствующий лучшей адгезии и теплостойкости керамического слоя ввиду близости ТКЛР оксида алюминия и оксида циркония.

На фиг.1 дан график режима термоциклических испытаний лопатки с покрытием по предлагаемому способу; на фиг.2 диаграмма ресурсов работы лопаток с разными покрытиями.

На лопатку из сплава типа ЖС было нанесено покрытие:
1-й слой сплав на никелевой основе, легированный кобальтом 8,2% хромом 17,1% алюминием 11,5% иттрием 0,3% толщина слоя 15-30 мкм;
2-й слой сплав на алюминиевой основе, легированной никелем 14,5% иттрием 1,6% толщина слоя 20-40 мкм;
3-й слой керамика на основе оксидов ZrO₂, стабилизированный Y₂O₃ 8% толщина слоя 70-100 мкм.

Испытание лопатки проводилось на установке термоциклических испытаний в окислительной среде по режиму: температура 1100-1130^o, время цикла 10 мин, время охлаждения до 200^oC за 50 с, время подъема на рабочую температуру 3 мин (см. график 1).

Лопатка с предлагаемым покрытием выдержала 1236 циклов. В период испытаний лопатка периодически контролировалась по состоянию покрытия. После 1236 циклов лопатка была снята с испытаний, замечаний к состоянию покрытия не было.

Предлагаемое покрытие лопатки при данном режиме испытаний и количеств циклов сохранило свои прочностные свойства и работоспособность, хотя основа лопатки исчерпала себя по прочности и стойкости материала.

Опытные испытания проводились также на лопатках турбины 1-й ступени с двухслойным и однослойным покрытиями.

На диаграмме графика 2 видно, что долговечность теплозащитного покрытия по прелагаемому способу выше по сравнению с другими способами нанесения покрытий.

Таким образом, создание 3-слойного теплозащитного покрытия, в котором в первый слой введен дополнительно легирующий элемент кобальт, второй слой образован на алюминиевой основе и легирован никелем и иттрием, причем 1-й и 2-й слои минимальные по толщине, а также введение в техпроцесс таких операций, как виброшлифование, обдувка шлифпорошком перед образованием керамического слоя, дополнительный диффузионный вакуумный отжиг после образования 3-го керамического слоя и последующий окислительный отжиг, позволяют защитить основу лопатки с высоким показателем циклической жаростойкости и сопротивлением высокотемпературной сульфидной коррозии, а следовательно повысить ресурс работы лопатки в составе изделия, работающего в условиях агрессивных сред.

Литература
1. Мовчан Б.А. Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. Киев: Наукова Думка, 1983, с. 124.

2. Там же, с. 154-167.

Использование: изобретение может быть использовано в области изготовления лопаток турбины, а именно нанесения теплозащитных покрытий в вакууме. Сущность изобретения: создание 3-слойного теплозащитного покрытия, в котором в первый слой на никелевой основе вводят дополнительно легирующий элемент кобальт 7-9%, второй слой образован на алюминиевой основе, легированный никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, причем 1-й и 2-й слои минимальные по толщине, а также введение в техпроцесс таких операций, как виброшлифование и обдувка шлифпорошком перед образованием 3-го керамического слоя с последующими дополнительным диффузионным вакуумным отжигом и окислительным отжигом. 2 ил.

Способ нанесения покрытия на лопатку турбины, включающий предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифопорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий, содержащего следующие компоненты, мас.

Хром 16 18
Алюминий 11 13
Иттрий 0,25 0,5
Никель Остальное
а также виброшлифование и диффузионный вакуумный отжиг, отличающийся тем, что слой наносят толщиной 15 30 мкм, дополнительно содержащий 7 9 мас. кобальта, после чего тем же методом наносят второй слой толщиной 20 40 мкм, содержащий следующие компоненты, мас.

Никель 13 16
Иттрий 1,5 1,8
Алюминий Остальное
затем проводят диффузионный вакуумный отжиг, наносят керамический слой и проводят второй диффузионный и окислительный отжиги, причем виброшлифование и дополнительную обдувку шлифопорошком проводят после первого диффузионного вакуумного отжига.