МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО НАНЕСЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C23C30/00 C23C28/00 C23C4/08 C23C14/06 C23C16/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к металлическим покрытиям, обладающим стойкостью к окислению и усталостной прочностью, предназначенным для защиты элементов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур.

Уровень техники

Для защиты от окисления элементов газотурбинных двигателей, подверженных воздействию высоких температур, ранее были разработаны различные металлические покрытия. Основу данных покрытий нередко составляют разнообразные алюминидные композиции, в которые входят металлические материалы на основе никеля или кобальта. В альтернативном варианте основой композиции может быть слой осаждаемого покрытия состава MCrAlY, где М означает никель, кобальт, железо или сочетание этих материалов. Указанным покрытиям присущи недостатки, которые не позволяют использовать их для более новых, перспективных элементов газовых турбин. Диффузные алюминиды наряду с хорошей усталостной прочностью (сопротивлением усталости) обычно не обладают стойкостью к окислению при очень высоких температурах свыше 1100°С (2000°F). Применение покрытий состава MCrAlY ограничено в силу их существенно невысокой усталостной прочности. Введение активных элементов в покрытия состава MCrAlY позволяет обеспечить не только очень высокую стойкость к окислению, но и делает их вполне пригодными для использования в качестве связующего компонента в керамических покрытиях, создающих термический барьер. В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения рассматривается патент RU 2149202, опубликованный 20.05.2000, в котором раскрыт защитный слой, содержащий хром, галлий и по выбору алюминий, кремний, иттрий, скандий, редкоземельные элементы, а также основу, включающую по выбору железо, кобальт или никель. Однако известное техническое решение не позволяет минимизировать разницу в степени термического расширения между покрытием и сплавом, используемым, в частности, для изготовления элементов газотурбинных двигателей. В то время как алюминиды и покрытия состава MCrAlY применяются для широкого круга задач, новое покрытие, способное сочетать в себе достоинства обоих групп материалов, непосредственно предназначено для использования в перспективных элементах газовых турбин, где усталость, растягивающие нагрузки и окисление должны сводиться к минимуму.

Сущность изобретения

Соответственно задачей настоящего изобретения является создание состава (композиции) металлического покрытия, обладающего высокими стойкостью к окислению и усталостной прочностью.

Другой задачей настоящего изобретения является создание состава покрытия с меньшей разницей теплового расширения между самим покрытием и обычным сплавом, применяемым для изготовления турбин.

Вышеназванные задачи достигаются при помощи всей совокупности признаков прилагаемой формулы изобретения, описывающей состав покрытий и способ нанесения покрытия на подложку из по крайней мере одного из металлических материалов на основе никеля, кобальта или железа в соответствии с настоящим изобретением.

В общем в соответствии с настоящим изобретением предлагается металлическое покрытие и способ нанесения на подложку покрывочного слоя, которые создают посредством композиции в основном следующего состава: до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель. Причем общее содержание тантала и вольфрама в составе покрытия в соответствии с настоящим изобретением лежит в интервале от 3,0 до 16 мас.%.

Прочие особенности металлических покрытий, стойких к окислению и усталости, в соответствии с настоящим изобретением, а также иные цели и преимущества, присущие им, изложены в нижеследующем подробном описании.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Элементы газотурбинных двигателей изготавливаются из сплавов на основе никеля, кобальта и железа. По причине чрезвычайно высоких температур, в которых осуществляется эксплуатация этих элементов, они нуждаются в нанесении защитного покрытия. Композиция таких покрытий должна сводить к минимуму усталостные нагрузки, воздействующие на эти элементы, и в то же самое время обеспечивать наибольшую стойкость к окислению. Покрытие также должно быть таковым, чтобы разница в степени термического расширения между покрытием и сплавом(ами), используемом для изготовления элементов газотурбинных двигателей, была наименьшей. Различная степень термического расширения и является одной из причин ухудшения усталостной прочности покрытий состава MCrAlY.

В соответствии с настоящим изобретением разработка металлических покрытий была направлена на снижение разницы в степени термического расширения и обеспечение наиболее близкого к желаемому уровня стойкости к окислению и усталости. Причем данные металлические покрытия, которые наносят в виде покрывочного слоя на подложку, создаваемую из по крайней мере одного из металлических материалов на основе никеля, кобальта или железа, в основном содержат в общем случае до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель. Содержание тантала и вольфрама в общем составе данных покрытий лежит в интервале от 3,0 до 16 мас.%.

В соответствии с вышеупомянутым обобщенным составом покрытий, которые в соответствии с изобретением наносят на подложку, первое их семейство, особенно пригодное для нанесения на элементы газотурбинных двигателей, в основном содержит до 15 мас.%, предпочтительно до 2,0 мас.%, кобальта; от 5,0 до 18 мас.%, предпочтительно от 10 до 15 мас.%, хрома; от 5,0 до 12 мас.%, предпочтительно от 6,0 до 10 мас.%, алюминия; от 0,1 до 1,0 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,7 мас.%, иттрия; до 0,6 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,6 мас.%, гафния; до 0.3 мас.%, предпочтительно 0,1 мас.% или менее, кремния; от 3,0 до 10 мас.%, предпочтительно от 5,0 до 7,0 мас.%, тантала; до 5,0 мас.%, предпочтительно от 1,0 до 4,0 мас.%, вольфрама; от 1,0 до 6,0 мас.%, предпочтительно от 1,0 до 3,5 мас.%, рения; до 10 мас.%, предпочтительно 4,0 мас.% или менее, молибдена, а остальное составляет никель. Причем общее содержание тантала и вольфрама в данных металлических покрытиях лежит в интервале от 3,0 до 12 мас.% и предпочтительно в интервале от 5,0 до 9,0 мас.%.

Среди покрытий первого семейства особенно пригодный состав покрытия содержит 12,5 мас.% хрома, 8 мас.% алюминия, от 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 6,0 мас.% тантала, 2,0 мас.% вольфрама, 2,0 мас.% рения, а остальное составляет никель.

Второе семейство составов для металлических покрытий, которые в соответствии с изобретением наносят на подложку, содержит от 2,0 до 18 мас.%, предпочтительно от 8,0 до 12 мас.%, кобальта; от 3,0 до 10 мас.%, предпочтительно от 4,0 до 6,5 мас.%, хрома; от 5,5 до 15 мас.%, предпочтительно от 7,5 до 12,5 мас.%, алюминия; от 0,1 до 1,0 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,7 мас.%, иттрия; до 0,6 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,6 мас.%, гафния; до 0,3 мас.% кремния; от 3,0 до 10 мас.%, предпочтительно от 5,0 до 7,0 мас.%, тантала; от 1,0 до 9,0 мас.%, предпочтительно от 4,2 до 5,8 мас.%, вольфрама; от 1,0 до 5,0 мас.%, предпочтительно от 2,3 до 3,7 мас.%, рения; от 0,2 до 4,0 мас.%, предпочтительно от 1,4 до 2,0 мас.%, молибдена, а остальное составляет никель. Причем общее содержание тантала и вольфрама в данных металлических покрытиях лежит в интервале от 3,0 до 12 мас.% и предпочтительно в интервале от 5,0 до 9,0 мас.%.

Среди покрытий второго семейства особенно подходящий состав покрытия содержит 10,5 мас.% кобальта, 5,0 мас.% хрома, 9,0 мас.% алюминия, 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 0,1 мас.% кремния, 6,0 мас.% тантала, 5,0 мас.% вольфрама, 3,0 мас.% рения, 1,7 мас.% молибдена, а остальное составляет никель.

Причина ухудшения усталостной прочности покрытия кроется в его избыточной толщине. К распространенным методам нанесения покрывочного слоя относятся процессы термического напыления, такие как плазменное напыление под низким давлением (ПННД), когда толщина покрытия лежит в интервале от 0,1 до 0,3 мм (0,004 до 0,012 дюймов). При помощи процессов катодного плазменно-дугового напыления возможно нанесение покрытий вышеуказанных составов толщиной 0,05 мм (0,002 дюйма). Методы нанесения покрытий в соответствии с настоящим изобретением при помощи катодного плазменно-дугового напыления описаны в патентах США № 5972185; 5932078; 6036828; 5792267 и 6224726, общей чертой которых является ссылка на данный метод. Возможно также использование и прочих методов нанесения покрытия, в том числе других процессов плазменного напыления, таких как магнетронное распыление и электронно-лучевое плазменное напыление. Когда толщина покрытия не является определяющей, могут применяться процессы термического напыления, такие как плазменное напыление под низким давлением, и процессы напыления высокоскоростным кислородно-топливным потоком.

Покрытия, имеющие состав в соответствии с настоящим изобретением, показали сопротивление термической усталости на уровне лучших по данному параметру диффузных алюминидных покрытий. В таблице ниже представлены сравнительные результаты испытаний образцов покрытий составов согласно настоящему изобретению и из прочих составов в процессе их циклического окисления в пламени горелки при температуре 1150°С (2100°F).

Испытание на циклическое окисление в пламени горелки при температуре 1150°С (2100°F)Образец NТолщина (мм)Время до разрушения покрытия (часы)Время до разрушения покрытия (часы)**Время наработки системы на отказ (часы)Время наработки системы на отказ (часы)**      7010,07523201573271318397020,07941052648628540557030,06915911179193214316990,08430601855362221957000,05511701088139913016970,0698281810458716950,07182659013159396960,062676552805657PWA 2750,05115115366366Примечания:
** При доведении толщины покрытия до 0,05 мм (2 мил).

Образцы, изготовленные из материала 701, имели следующий состав: 12,5 мас.% хрома, 8,0 мас.% алюминия, от 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 6,0 мас.% тантала, 2,0 мас.% вольфрама, 2,0 мас.% рения, остальное составлял никель. Образцы, изготовленные из материала 702, имели следующий состав: 10,5 мас.% кобальта, 5,0 мас.% хрома, 9,0 мас.% алюминия, от 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 0,1 мас.% кремния, 6,0 мас.% тантала, 5,0 мас.% вольфрама, 3,0 мас.% рения, 1,7 мас.% молибдена, а остальное составлял никель.

Образцы, обозначенные номером 703, имели следующий состав: 7,0 мас.% хрома, 6,0 мас.% алюминия, 5,5 мас.% вольфрама, 4,0 мас.% тантала, 2,0 мас.% рения, 4,0 мас.% рутения, 0,5 мас.% молибдена, 0,4 мас.% гафния, 0,25 мас.% иттрия, а остальное составлял никель.

Образцы, обозначенные номером 699, имели состав NiCoCrAlY, содержащий рений и тантал. Образцы, обозначенные номерами 700, 697, 695, и 696, имели состав NiAl, содержащий от 2 до 4 мас.% хрома, от 0,2 до 0,6 мас.% иттрия и 0,4 мас.% гафния. Образцы, обозначенные PWA 275, представляли собой стандартные алюминиды NiAl с низкой активностью.

По условиям испытаний образцы находились в течение 57 минут при температуре 1150°С (2100°F) и каждый час охлаждались сжатым воздухом в течение 3 минут. В горелку подавался подогретый сжатый воздух, смешанный с топливом для реактивных двигателей JP8 для нагрева образцов в динамических условиях.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается металлическое покрытие, обладающее стойкостью к окислению и усталостной прочностью, которое полностью отвечает вышеуказанным задачам, может быть получено упомянутыми выше средствами и обладает названными выше преимуществами. Поскольку описанием настоящего изобретения был охвачен частный вариант его осуществления, специалистам в данной области техники станут очевидны и иные альтернативные варианты воплощения, разновидности и модификации изобретения при ознакомлении с вышеизложенным описанием. Соответственно изобретение создавалось с целью охватить эти альтернативные варианты воплощения, разновидности и модификации, лежащие в пределах объема притязаний, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Изобретения относятся к металлическим покрытиям и способам их нанесения и могут быть использованы при изготовлении газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур. Металлическое покрытие содержит до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель. Способ его нанесения характеризуется тем, что сначала создают подложку из по крайней мере одного из металлических материалов на основе никеля, кобальта или железа, а затем наносят покрывочный слой. Изобретения позволяют получать покрытия с высокой стойкостью к окислению и усталостной прочностью. 8 с. и 25 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Металлическое покрытие, обладающее стойкостью к окислению и усталостной прочностью, отличающееся тем, что оно имеет следующий состав, мас.%:

Кобальт До 18

Хром 3,0-18

Алюминий 5,0 - 15

Иттрий 0,1 - 1,0

Гафний До 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 3,0 - 10

Вольфрам До 9,0

Рений 1,0 - 6,0

Молибден До 10

Никель Остальное

Кобальт До 15

Хром 5,0 - 18

Алюминий 5,0 - 12

Иттрий 0,1 - 1,0

Гафний До 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 3,0 - 10

Вольфрам До 5,0

Рений 1,0 - 6,0

Молибден До 10

Никель Остальное

Кобальт До 2,0

Хром 10 - 15

Алюминий 6,0 - 10

Иттрий 0,2 - 0,7

Гафний 0,2 - 0,6

Кремний 0,001 - 0,1

Тантал 5,0 - 7,0

Вольфрам 1,0 - 4,0

Рений 1,0 - 3,5

Молибден До 4,0

Никель Остальное

Хром 12,5

Алюминий 8,0

Иттрий 4,0 - 0,7

Гафний 0,4

Тантал 6,0

Вольфрам 2,0

Рений 2,0

Никель Остальное

Кобальт 2,0 - 18

Хром 3,0 - 10

Алюминий 5,5 - 15

Иттрий 0,1 - 1,0

Гафний До 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 3,0 - 10

Вольфрам 1,0 - 9,0

Рений 1,0 - 5,0

Молибден 0,2 - 4,0

Никель Остальное

Кобальт 8,0 - 12

Хром 4,0 - 6,5

Алюминий 7,5 - 12,5

Иттрий 0,2 - 0,7

Гафний 0,2 - 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 5,0 - 7,0

Вольфрам 4,2 - 5,8

Рений 2,3 - 3,7

Молибден 1,4 - 2,0

Никель Остальное

Кобальт 10,5

Хром 5,0

Алюминий 9,0

Иттрий 0,4 - 0,7

Гафний 0,4

Кремний 0,1

Тантал 6,0

Вольфрам 5,0

Рений 3,0

Молибден 1,7

Никель Остальное