СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО АЛЮМИНИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА ИЗДЕЛИИ Российский патент 2001 года по МПК C23C14/38 

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении для защиты пера лопаток турбин от высокотемпературного окисления и коррозии.

В промышленности широко известен способ получения алюминидного покрытия на изделии насыщением поверхности из газовой фазы с использованием транспортных реакций, протекающих на поверхности изделия и источника алюминия, например порошка сплава Fe-Al в смеси с галогенидным активатором - хлористым аммонием [1] . Способ используется для получения алюминидных покрытий на лопатках турбин, обеспечивает достаточно высокую воспроизводимость параметров покрытия и его равномерность по толщине на криволинейных поверхностях лопаток турбин.

Недостатком известного способа является практическая трудность в получении легированных алюминидных покрытий из-за зависимости скорости протекания транспортной реакции от природы легирующего элемента.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ согласно патенту [2], включающий предварительную подготовку изделия под покрытие, размещение в зону обработки изделия и сплава на основе алюминия, создание вакуума в зоне обработки изделия, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами сплава на основе алюминия, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия и последующий вакуумный отжиг изделия с формированием алюминидного покрытия.

Этот способ имеет преимущества по сравнению со способом получения алюминидного покрытия насыщением поверхности из газовой фазы, т.к. позволяет стабильно получать легированные алюминидные покрытия, повысить точность дозирования толщины покрытия и степень воспроизводимости параметров покрытия, получать покрытия на готовые лопатки турбин путем предохранения их замковых частей от попадания ионов плазмы сплава на основе алюминия.

Недостатком известного способа является трудность легирования покрытия элементами, имеющими низкую растворимость в алюминидном покрытии и элементами, которые не позволяют в требуемых количествах легировать сплав на основе алюминия.

Технической задачей данного изобретения является создание способа, позволяющего проводить комплексное легирование покрытия элементами, имеющими низкую растворимость в алюминидном покрытии, что даст возможность получать качественные жаростойкие и коррозионно-стойкие покрытия.

Это достигается тем, что в способе получения диффузионного алюминидного покрытия на изделии, преимущественно на лопатке турбины, включающем предварительную подготовку изделия под покрытие, размещение в зону обработки изделия и сплава на основе алюминия, создание вакуума в зоне обработки изделия, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами сплава на основе алюминия, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия и последующий вакуумный отжиг изделия. Перед предварительной подготовкой изделия под диффузионное алюминидное покрытие, на поверхности изделия накапливают элементы, легирующие покрытие, причем удельный прирост массы каждого из элементов Δ M_i на единицу поверхности изделия выбирают из соотношения ΔM_i = δ_iρh, где δ_i - массовая доля i-го легирующего элемента в покрытии; ρ - плотность материала покрытия; h - толщина покрытия, а накопление элементов, легирующих покрытие, осуществляют одним из известных способов нанесения покрытий, например ионным осаждением, или одним из известных способов диффузионного насыщения поверхности, например ионным осаждением с последующим вакуумным отжигом, а также тем, что накопление элементов, легирующих покрытие, осуществляют из сплава на основе элемента, составляющего основу покрытия.

Введение операции накопления на поверхности изделия легирующих элементов, перед операцией предварительной подготовки изделия под покрытие, одним из известных способов (например, ионное осаждение или диффузионное насыщение поверхности путем ионного осаждения с последующим вакуумным отжигом и т.д.), а также высокая точность процесса накопления, достигаемая благодаря определению удельного прироста массы от каждого из элементов на единицу поверхности изделия обеспечивают требуемое комплексное легирование покрытия различными элементами, повышающими защитные свойства покрытия, в том числе элементами, имеющими низкую растворимость в основном алюминиде Me-Al, где Me - Ni; Co; Ni-Co. Накопление элементов на поверхности изделия может производиться как послойно, так и из сплава, состоящего из легирующих элементов. В ряде случаев для устранения пористости на границе металл-покрытие, возникающей при вакуумном отжиге покрытия из-за неуравновешенной граничной диффузии, накопление легирующих элементов целесообразно проводить из сплава на основе элемента, составляющего основу покрытия (Ni или Co).

Сущность изобретения поясняется на примерах.

Пример 1. Для получения диффузионного алюминидного покрытия на изделии, например лопатке ротора турбины газотурбинного двигателя из жаропрочного сплава ЖС6У на никелевой основе, лопатку предварительно обрабатывают (обезжиривание и удаление загрязнений). Затем размещают в зону обработки изделия лопатку и сплав на основе алюминия следующего состава, мас.%: Si - 5; Y - 1,8; Al - остальное.

Затем создают в зоне обработки изделия вакуум при давлении P ≤ 10-3 Па. Затем подают на лопатку отрицательный потенциал ϕ = -300 В, а на сплав ϕ₁ = -(30-100) В и возбуждают одним из известных методов, например разрывом токового контакта на сплаве, вакуумную дугу, горящую в парах сплава на основе алюминия с образованием плазмы этого сплава, и начинают процесс ионной очистки изделия при ϕ = - 300 В за счет бомбардировки поверхности лопатки ионами плазмы и осуществляют ионный нагрев и термоактивацию поверхности лопатки. Затем через 5-10 минут (в зависимости от массы лопатки) отрицательный потенциал на лопатке повышают до ϕ₂ = - (5-50) В и проводят процесс контролируемого накопления и диффузии элементов сплава на основе алюминия в поверхность лопатки. После достижения заданного времени, процесс прерывается и затем лопатка подвергается вакуумному отжигу по режиму: температура 1000^oC, время 4 ч, в процессе которого имеет место образование на поверхности лопатки легированного диффузионного алюминидного покрытия с внешним слоем на основе фазы Ni-Al с содержанием Al - 20-20,5% (% по массе). Si - 1,2-1,5% и Y ~ 0,1%. Увеличить содержание кремния в диффузионном слое путем увеличения его содержания в сплаве на основе алюминия с 5% до 11% не удается, т.к при вакуумном отжиге наблюдается шлакование кремния и в покрытии содержание кремния не превышает 1,6-1,8% ввиду низкой растворимости кремния в фазе Ni-Al. Из приведенного примера видно, что прототип имеет ограничения по легированию диффузионных алюминидных покрытий.

Пример 2. Диффузионное алюминидное покрытие на лопатке ротора турбины газотурбинного двигателя из сплава ЖС6У получают аналогично примеру 1. Разница в том, что перед предварительной подготовкой лопатки под диффузионное алюминидное покрытие, на поверхности изделия накапливают элементы, необходимые для его комплексного легирования. Например, требуется легировать алюминидное покрытие хромом (10%, имеет ограниченную растворимость в фазе Ni-Al), кобальтом (30%), танталом (2%), кремнием (3%, имеет ограниченную растворимость в фазе Ni-Al) и иттрием (0,5%), В рассматриваемом примере накопление легирующих элементов осуществляют из сплава, составленного из легирующих элементов в указанной пропорции, известным методом ионного осаждения. Причем выбирают удельный прирост массы лопатки от покрытия из сплава, составленного из легирующих элементов так, чтобы обеспечить условие ΔM_{(Co,Cr,Ta,Si,Y)} = (δ_Co+δ_Cr+δ_Ta+δ_Si+δ_Y)·ρh, где δ_i - массовая доля i-го легирующего элемента в покрытии; ρ - плотность материала покрытия; h - толщина покрытия. В результате получали диффузионное алюминидное покрытие со следующим содержанием в нем легирующих элементов (% по массе): Al - 20-21; Co - 32-34 (дополнительное легирование из сплава ЖС6У); Cr - 11,5-13 (дополнительное легирование из сплава ЖС6У); Si - 3,6-3,8 (дополнительное легирование из сплава на основе Al); Ta - 1,8-2; Y - 0,55-0,6 (дополнительное легирование из сплава на основе Al); Ni - основа (никель на образование покрытия расходуется из сплава ЖС6У).

Пример 3. Диффузионное алюминидное покрытие на лопатке ротора турбины газотурбинного двигателя из сплава ЖС6У получают аналогично примеру 2. Отличие состоит в том, что накопление на поверхности лопатки элементов, легирующих покрытие, осуществляют послойно. Для этого вначале осаждают кобальт, затем хром, затем тантал, затем иттрий и затем кремний. После чего лопатку подвергают диффузионному вакуумному отжигу по режиму: 1100^oC, 1 ч и 1215^oC (температура закалки сплава ЖС6У), 1,25 ч. При таком режиме отжига имеет место диффузионное взаимодействие между слоями легирующих элементов. В результате получали диффузионное алюминидное покрытие со следующим содержанием в нем легирующих элементов (% по массе): Al - 20-21; Co - 31-33; Cr - 10,5-12; Si - 2,8-3,2; Ta - 1,8-2; Y - 0,45-0,5; Ni - основа.

Пример 4. Диффузионное алюминидное покрытие на лопатке ротора турбины газотурбинного двигателя из сплава ЖС6У получают аналогично примеру 2. Отличие состоит в том, что накопление на поверхности лопатки элементов, легирующих покрытие, осуществляют ионным осаждением из сплава на основе никеля, составляющего основу алюминидного покрытия. Отметим, что получение сплава системы Co-Cr-Si-Ta-Y (пример 2) и изготовление из него мишени или катода для ионно-плазменного осаждения представляет значительные трудности из-за хрупкости сплава. Такое изготовление возможно только методом точного литья, что экономически не целесообразно. Поэтому изготовление сплава системы Ni-Co-Cr-Si-Ta-Y более целесообразно и позволяет упростить задачу получения легированного диффузионного алюминидного покрытия, а также исключить незначительную пористость, которая имеет место на границе покрытие - сплав ЖС6У в примерах 2 и 3. В результате получали диффузионное алюминидное покрытие со следующим содержанием в нем легирующих элементов (% по массе): Al - 20-21; Co - 31,5-32; Cr - 9,8-11; Si - 2,7-3,0; Ta - 1,8-2; Y - 0,4-0,5; Ni - основа.

Как видно, наиболее точный состав диффузионного покрытия удается получить при накоплении на поверхности лопатки легирующих элементов из сплава на основе, составляющей основу диффузионного алюминидного покрытия.

Таким образом, как видно из приведенных примеров, применение изобретения позволяет проводить комплексное легирование диффузионных алюминидных покрытий различными элементами, в том числе элементами, имеющими низкую растворимость в моноалюминиде никеля, являющемся основой всех металлических жаростойких покрытий. Применение изобретения в промышленности для получения нового класса защитных жаростойких и коррозионно-стойких покрытий на лопатки турбин позволит значительно (в два и более раз) повысить ресурс лопаток, что даст значительный экономический эффект, т.к. лопатка является одним из дорогих и массовых деталей газотурбинного двигателя.

Литература
1. Арзамасов Б. Н., Прокошкин Д.А. "Теоретические вопросы диффузионной металлизации из галогенидных газовых сред" - В кн.: Защитные покрытия на металлах. Киев. "Наукова думка", 1971 г. вып. 5, с. 37-41
2. Патент РФ 2012694, БИ 9-1994 г., МКИ: C 23 C 14/38т

Способ получения диффузионного алюминидного покрытия на изделии включает накопление на поверхности изделия элементов, легирующих покрытие, причем удельный прирост массы ΔМ_i каждого из элементов на единицу поверхности изделия выбирают из соотношения ΔM = δ_iρh, гдe δ_i - мaccoвaя доля i-го легирующего элемента в покрытии; ρ - плотность материала покрытия; h - толщина покрытия, затем предварительную подготовку изделия под покрытие, размещение в зону обработки изделия и сплава на основе алюминия, создание вакуума в зоне обработки изделия, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами сплава на основе алюминия, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия и последующий вакуумный отжиг изделия с формированием алюминидного покрытия. Накопление элементов, легирующих покрытие, осуществляют ионным осаждением либо ионным осаждением с последующим вакуумным отжигом. Причем накопление элементов, легирующих покрытие, осуществляют из сплава на основе элемента, составляющего основу покрытия. Способ позволяет проводить комплексное легирование диффузионных алюминидных покрытий элементами, имеющими низкую растворимость в моноалюминиде никеля, в результате чего значительно повышается ресурс лопаток. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ получения диффузионного алюминидного покрытия на изделии, преимущественно на лопатке турбины, включающий предварительную подготовку изделия под покрытие, размещение в зону обработки изделия и сплава на основе алюминия, создание вакуума в зоне обработки изделия, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами сплава на основе алюминия, очистку и нагрев поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия и последующий вакуумный отжиг изделия с формированием алюминидного покрытия, отличающийся тем, что перед предварительной подготовкой изделия под диффузионное алюминидное покрытие на поверхности изделия накапливают элементы, легирующие покрытие, причем удельный прирост массы ΔM_i, каждого из элементов на единицу поверхности изделия выбирают из соотношения ΔM_i = δ_iρh, где δ_i - массовая доля i-го легирующего элемента в покрытии; ρ - плотность материала покрытия; h - толщина покрытия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление элементов, легирующих покрытие, осуществляют ионным осаждением. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление элементов, легирующих покрытие, осуществляют ионным осаждением с последующим вакуумным отжигом. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что накопление элементов, легирующих покрытие, осуществляют из сплава на основе элемента, составляющего основу покрытия.