СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 1997 года по МПК C23C14/06 C23C14/58 

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

Известен способ получения защитного покрытия системы MeCoCrAIY, MeCrAIY, MeCrIH, электронно-лучевым методом или комбинированных покрытий, полученных сочетанием процессов катодного распыления в вакууме с последующим алитированием из порошков /1/.

Однако таким способом можно получить покрытия с ограниченной жаро-, термо- и эрозионностойкостью, что в конечном итоге влияет на ресурс работы изделия, ограничивая его порядком 400 ч.

Известен способ получения защитного покрытия из двух слоев: металлического системы MeCrAIY или MeCrAIYb и керамического, причем металлический и керамический слой ZrO₂•Y₂O₃ наносят с помощью низкотемпературной плазмы в атмосфере /2/.

Полученное таким способом покрытие служит тепловым барьером между раскаленными газами и материалом детали. Керамический слой защищает металлический слой от коррозии, окисления, эрозии, способствует увеличению ресурса работы изделия до уровня 1000 ч. Однако нанесенный плазменным методов в атмосфере керамический слой имеет развитую поверхность с шероховатостью ▿4 - ▿5 и обычно относительный объем пор порядка 6-9% /иногда до 20%/. С увеличением пористости увеличивают теплозащитный свойства покрытия, улучшается сопротивляемость растрескиванию, но ухудшается сопротивление коррозии, уменьшается адгезия и прочность покрытия, т.е. возможны скалывания керамического слоя и разрушения как при напылении, так и при эксплуатации.

Задачей изобретения является создание композитного металл-керамического материала кислотно-эрозионностойкого, неразрушающегося, теплозащитного покрытия с высокоплотной структурой поверхности, работающего в агрессивных средах и используемого при производстве конструкций двигателестроения, энергетики, электронной и автомобильной промышленности, для реакторов управляемого синтеза, ТНП и пр.

Эта задача решается за счет обработки поверхности высококонцентрированными потоками энергии, например высокотемпературной импульсной плазмой, и последующего окислительного отжига при температуре не менее 1050^oC.

В качестве первого металлического демпфирующего слоя используют сплав системы MeCoCrAIY с содержанием алюминия от 5 до 13% /с увеличением количества алюминия от 5% увеличивается жаростойкость сплава/ и толщиной 15-30 мкм.

В качестве второго слоя используют алюминиевый сплав, легированный никелем и иттрием толщиной 20-40 мкм и подвергнутый последующему диффузионному отжигу. Оба металлических слоя наносились в вакууме.

В качестве третьего слоя используют керамический слой ZrO₂•8Y₂O₃ толщиной 70-100 мкм, подвергнутый в последующем диффузионному и окислительному отжигам, причем керамику можно наносить как в вакууме, так и в атмосфере.

Все слои выполняют известными способами, такими как вакуумно-плазменное, диффузионное, электронно-лучевое нанесение покрытия.

Надежность, долговечность машин и аппаратов определяются высокой прочностью материалов и их совместимостью с окружающей атмосферой. Большая часть этих материалов подвергается нарастанию и уменьшению термических напряжений, коррозии, эрозии, высокотемпературному окислению, износу, выветриванию и безвозвратно теряется в процессе эксплуатации.

Для получения нового состояния композитного эрозионно-, кислотостойкого неразрушающегося покрытия с внешним оксидным керамическим слоем изделие подвергают обработке высококонцентрированными потоками энергии импульсной обработкой плазмой водорода или азота, или кислорода. При таком способе происходит как поверхностная обработка, связанная с изменением свойств поверхностных слоев, так и объемная направленное изменение объемных свойств материалов.

Эта обработка возбуждает электронную систему оксидов и последующая релаксация определяется законами обычной теплопроводности. Время охлаждения для этих импульсных источников не превышает 10^-7 с. Это обуславливает и весьма большие скорости охлаждения порядка 10^10oC в секунду.

Большие скорости охлаждения при использовании такой обработки приводят к существенным физико-химическим изменениям поверхности слоев и тем самым позволяют придать им новые определенные свойства. Например, при тепловом воздействии этих импульсных излучения аморфизируется поверхностный слой; из оксидов частично на микротолщину восстанавливается Zr с изменением структуры и энерговыделением, образуются тугоплавкие соединения типа Y₂Zr₂O₇.

Кроме того, направленное импульсное излучение является причиной образования в микрообъемах материала акустических и ударных волн как за счет теплового расширения поверхностных слоев, так и за счет больших мощностей подводимой энергии из-за разлета образующейся плазмы.

Опытным путем было установлено, что следствием распространения как акустических, так и ударных волн в оксидах ZrO₂, Y₂O₃, Al₂O₃, которые находятся на границе с керамическим слоем, является изменение их структуры, что приводит к ускорению диффузионных процессов.Последующий за обработкой плазмой высокотемпературный окислительный отжиг при 1050^oC в течение 5-6 ч приводит к фазовой стабилизации, ускорению диффузионных процессов на границе металл керамика, соединению материалов, а именно к процессу низкотемпературного синтеза, получению нового композитного материала.

По предлагаемому способу на лопатку последовательно наносили металлические слои на вакуумно-плазменной установке при вакууме порядка 1•10⁴мм рт. ст. и на электронно-лучевой.

На вакуумно-плазменной установке при напылении к лопатке подводился ток 8А при подаче напряжений 30 В. В установке происходит испарение /эрозия/ материала катода, который потоком низкотемпературной плазмы между катодом и анодом ускоряется в направлении вращающихся деталей.

На электронно-лучевой установке с помощью пушки испаряли наносимый материал.

Керамическое покрытие наносили и в вакууме и в атмосфере.

При нанесении в атмосфере на плазменной установке расплавляли подаваемый порошок ZrO₂ в среде дуговой плазмы при вращающихся деталях.

При нанесении в вакууме на электронно-лучевой установке с помощью электронно-лучевой пушки испаряли керамические штабики, а затем конденсировали ZrO₂ на вращающиеся детали в паровом потоке.

Упрочнение керамического покрытия импульсной плазмой водорода /или азота или кислорода/ производили в вакууме на коаксиальном ускорителе плазмы.

После упрочнения керамического покрытия лопатку подвергали окислительному отжигу путем нагрева и выдержки в электропечи на воздухе при температуре не менее 1050^oC в течение 5-6 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Для деталей с толщиной керамического слоя 70-100 мкм окислительный отжиг проводили при температуре не менее 1050^oC в течение 5-6 ч с последующим охлаждением на воздухе, а для деталей с толщиной керамического слоя 10-50 мкм время окислительного отжига при 1050^oC составляло 1,5-2 ч. Такой же эффект можно достичь для деталей с толщиной 10-15 мкм при более низкой температуре
не менее 850^oC, при выдержке изделия при окислительном отжиге не менее 5 ч. Для толщины керамического слоя 0,5-1 мкм при этой же температуре /850^oC/ выдержка составляла не менее 1 ч. В случае относительно больших толщин керамического слоя порядка 100-300 мкм требовалась температура окислительного отжига не менее 1050^oC с выдержкой в печи соответственно 6-10 ч.

Кроме того, возможно применение предлагаемого способа для художественного оформления товаров народного потребления. Для этого на детали образуют керамический слой толщиной около 10 мкм, затем наносят рисунок или художественную аппликацию, деталь обжигают, обрабатывают высокотемпературной плазмой, проводят окислительный отжиг при 600-700^oC в течение 1 ч.

Кроме обработки импульсной плазмой водорода или азота или кислорода, возможны другие способы обработки керамического слоя высокотемпературными потоками энергии, например такими как ионно-лучевая или лазерная.

Предлагаемый способ испытывался на деталях с разными толщинами керамического слоя с нагревом от 5-6 до 200 ч. Эффект повторялся для всех вариантов.

Оксиды ZrO₂ обычно хорошо снимаются в плавиковой кислоте и ее растворах. Покрытие, нанесенное по предлагаемому способу, подвергалось снятию в разных составах кислот, солей и других известных растворах с увеличением времени выдержки от 4-х до 3-х часов и более суток. Покрытие с упрочняющей обработкой сохранило первоначальное состояние.

Таким образом, нанесение металлического слоя в вакууме в обработка внешнего керамического слоя высокотемпературными потоками энергии с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050^oC позволяет получить теплозащитное покрытие, стойкое к коррозии, эрозии, окислению и воздействию кислот, а также обеспечивает при этом термостойкость термостабильность, жаростойкость изделия, что в свою очередь обусловливает повышение ресурса работы изделия до уровня 1500 ч и более.

Способ получения защитного покрытия. Использование - область изготовления лопаток турбины, преимущественно газотурбинных двигателей. Сущность изобретения: проводят последовательное нанесение многокомпонентного алюминийсодержащего металлического и керамического слоев, причем металлический слой наносят в вакууме, после чего проводят диффузионный вакуумный отжиг, а после нанесения керамического слоя с толщиной 70-300 мкм изделие подвергают обработке высокотемпературной импульсной плазмой с последующим окислительным обжигом при температуре не менее 1050^oC не менее 5 ч.

Способ получения защитного покрытия, включающий последовательное нанесение многокомпонентного алюминийсодержащего металлического и керамического слоев, отличающийся тем, что металлический слой наносят в вакууме, после чего проводят диффузионный вакуумный отжиг, а после нанесения керамического слоя с толщиной 70 300 мкм изделие подвергают обработке высокотемпературной импульсной плазмой с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050^oС не менее 5 ч.