ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 1999 года по МПК C23C4/10 C22C32/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным уплотнительным материалам, наносимых газотермическим напылением в качестве уплотнений, предназначенным для работы на деталях компрессора и турбины газотурбинных двигателей при температурах 800-1100^oC.

Известен уплотнительный материал на основе никеля (а.с. СССР N 569636, МКИ C 22 C 19/03, 1976), содержащий никель, нитрид бора, графит, окись меди, сернистую медь и силикат натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Нитрид бора - 12 - 20
Графит - 2 - 8
Окись меди - 8 - 14
Сернистая медь - 4 - 12
Силикат натрия - 18 - 26
Никель - Остальное
Материал имеет удовлетворительную прирабатываемость и прочность сцепления с основой при температуре до 750^oC, но этого недостаточно для покрытия, работающего при температурах 800 - 1100^oC.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является композиционный материал для уплотнительного покрытия на основе никеля (патент России N 2075530, МПК, C 22 C 19/03, 1993), который имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
Нитрид бора - 10 - 15
Графит - 5 - 10
Фосфатное связующее - 5 - 12
Интерметаллид никеля - Остальное
В промышленности данный композиционный материал для уплотнительных покрытий используется под условным наименованием композит НП-4 (РТМП 359.117-39).

Материал имеет удовлетворительную прирабатываемость и жаростойкость, но в условиях изменяющегося теплового газодинамического потока турбины, недостаточную прочность сцепления и стойкость к тепловым ударам.

С целью придания гарантированной прочности сцепления и стойкости к тепловым ударам при достаточной жаростойкости и прирабатываемости при рабочих температурах 800 - 1100^oC известный композиционный материал дополнительно содержит никелевый сплав, диоксид циркония и высокотемпературный припой в следующем соотношении, мас.%:
Никелевый сплав - 30 - 40
Диоксид циркония - 40 - 50
Припой - 3 - 8
Композит НП-4 - Остальное
Предлагаемый высокотемпературный плазмонапыленный уплотнительный материал структурно состоит из двух пористых каркасов с вкрапленными частицами графита, нитрида бора и диоксида циркония. Один каркас - это сложная интерметаллидная матрица, придающая покрытию достаточную пластичность и прочность сцепления.

Сложный интерметаллид системы Ni-Me-Al-X, где Me - Cr, Co, а X - J, Ta, Si, получается в процессе плазменного напыления при экзотермическом взаимодействии никелевого сплава и интерметаллида типа Ni-Al (основной компонент композита НП-4). J, Ta, Si - добавки оказывающие стабилизирующее действие, которые присутствуют в диоксиде циркония и высокотемпературном припое.

Второй каркас - это равнораспределенная слоисто-ячеистая структура фосфатов из сухих остатков применяемого в композите НП-4 связующего (алюмоборфосфатного концентрата). В процессе напыления и формирования покрытия происходит как механическое, так и термохимическое взаимодействие фосфатов с отдельными микрочастицами, с последующим стеклованием, что приводит к образованию металлофосфатов.

В результате пластичная интерметаллидная матрица пронизана армирующими элементами - хрупкими стекловидными пленками, исключающими в дальнейшем наволакивание уплотнительного материала.

Графит и нитрид бора в данном покрытии используется в качестве сухой смазки, требуемое количество которого необходимо для уменьшения трения и следовательно температур при врезании в зоне контакта деталей ротора с покрытием. Основную роль графит играет в первоначальный момент соприкосновения деталей ротора с покрытием.

Диоксид циркония применяется в качестве теплозащитной керамики как от высокотемпературной эрозии, так и от внезапных тепловых ударов в процессе эксплуатации.

Добавление высокотемпературного припоя типа ВПР, прореагирующего уже в процессе плазменного напыления с образованием микропаяных соединений, дополнительно гарантирует необходимую адгезию (между покрытием и основным материалом) и когезию (внутри покрытия) уплотнительного материала.

Общая пористость заявляемого покрытия составляет 35-40%. Это позволяет снять напряжения при формировании покрытия как во всем объеме напыленного материала, так и в объеме каждой частицы. Пористость покрытия играет положительную роль и при компенсации дополнительных внутренних напряжений, возникающих из-за различных коэффициентов линейного расширения при температурных расширениях во время работы двигателя, не позволяя разрушаться напыленному слою.

Таким образом, механизм работы уплотнительного покрытия можно представить следующим образом: детали ротора врезаются на отдельных участках в уплотнительное покрытие, где происходит "хрупкое" срезание необходимой толщины до образования гарантированных зазоров без разогрева сопрягаемых деталей в зоне контакта за счет наличия необходимого количества графита и нитрида бора, фосфатной матрицы и достаточной пористости. В дальнейшем (при выбранных зазорах) наличие графита не является определяющим для работоспособности покрытия при воздействии на него газодинамического потока и температур. А условия удовлетворительной сопротивляемости высокотемпературной эрозии и самоэрозии, а также стойкости к окислению достаточно полно выполняет двойная металлокерамическая (интерметаллидно-фосфатная) матрица и высокотемпературный припой.

Композиционный материал готовят следующим образом:
Готовят смесь никелевого сплава (порошок Х20Р80-56 ГОСТ 13084-88) и высокотемпературного припоя (порошок ВПР-11-40Н ТУ-809-108-91 ВИЛС), мас.%:
Никелевый сплав - 85 - 90
Припой - 10 - 15
затем к полученной смеси подмешивают двуокись циркония (порошок ZrO₂ ТУ 14-8-88-73 УкрНИИ) в количестве 55-65 мас.% и после перемешивания добавляют 30 - 40 мас.% композита НП-4 (патент России N 2075530). Смесь перемешивают в механическом смесителе.

Газотермическое напыление такой композиции позволяет получить уплотнение, в котором сбалансированы требуемая жаростойкость, стойкость к тепловым ударам, прочность сцепления на отрыв при незначительном моменте сопротивления врезанию сопрягаемых элементов.

Жаростойкость предлагаемого материала определяется прибылью веса в % при температуре 800^oC. Стойкость к тепловым ударам - количеству циклов нагрев-охлаждение от 200^oC до 1100^oC до разрушения покрытия. Прочность сцепления - величина усилия разрыва покрытия с основой к площади сечения в МПа. Работа трения - величина обратная прирабатываемости, определяемая усилием врезания контртела на заданную глубину с заданной скоростью в испытуемый образец.

Примеры конкретного осуществления изобретения приведены в таблице (см. таблицу в конце описания).

Как следует из таблицы при малом содержании никелевой составляющей и диоксида циркония ухудшается жаростойкость и, как следствие, уменьшается количество теплосмен, при котором покрытие работоспособно. Содержание никелевого сплава, а также припоя выше верхнего предела приводит к увеличению работы трения, что приводит к недопустимому износу контртела. При большом содержании диоксида циркония и малом количестве припоя ухудшается прочность сцепления покрытия, что может привести к преждевременному разрушению уплотнительного покрытия.

Исходя из этого выбраны предельные значения жаростойкости, прочности сцепления и работы трения, которые превосходят аналогичные показатели известного материала.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным уплотнительным материалам, наносимым газотермическим напылением в качестве уплотнений, предназначенных для работы на деталях компрессора и турбины газотурбинных двигателей. Материал содержит 30 - 40 мас.% никелевого сплава; 40 - 50 мас.% двуокиси циркония; 3 - 8 мас.% высокотемпературного припоя; остальное композит НП-4, содержащий интерметаллид никеля, нитрид бора, графит, фосфатное связующее. Газотермическое напыление такой композиции позволяет получить уплотнение, в котором сбалансированы требуемая жаростойкость, стойкость к тепловым ударам, прочность сцепления на отрыв при незначительном моменте сопротивления врезанию сопрягаемых элементов. 1 табл.

Высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия, содержащий композит НП-4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никелевый сплав, двуокись циркония и высокотемпературный припой при следующем соотношении, мас.%:
Никелевый сплав - 30 - 40
Двуокись циркония - 40 - 50
Высокотемпературный припой - 3 - 8
Композит НП-4 - Остальное