СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН Российский патент 2006 года по МПК C23C14/06 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов.

Известны способы защиты лопаток газовых турбин из жаропрочных высокорениевых литейных никелевых сплавов от высокотемпературного окисления с помощью жаростойких защитных алюминидных покрытий, наносимых на поверхность пера различными способами.

Известен способ алитирования монокристальных ренийсодержащих никелевых сплавов, в котором перед формированием алюминидного покрытия предлагается модифицировать поверхность сплава металлами для снижения содержания рения в поверхностном слое. Модифицирование проводят путем нанесения на поверхность кобальта, хрома и подобных им металлов различными физическими или химическими способами с последующей термообработкой в вакууме. Затем формируют платино-алюминидное покрытие путем осаждения слоя платины толщиной 2,5-12,5 мкм, вакуумной термообработкой и насыщением поверхности алюминием /патент ЕР №0821076/.

Недостатками способа являются высокая трудоемкость нанесения покрытия и формирование под покрытием вторичной реакционной зоны (ВРЗ), приводящей к разупрочнению сплава.

Известен также способ получения деталей с покрытием из никелевых суперсплавов с улучшенной стабильностью микроструктуры, в котором предлагается проводить длительные термообработки при температуре и в течение времени, достаточных для растворения упрочняющей γ-фазы и выравнивания в заданных пределах концентрации рения в дендритных осях и междендритных пространствах /патент ЕР №1146134/.

Недостатками способа являются высокая трудоемкость из-за необходимости проведения термообработки при температурах, близких к температурам солидуса сплава, и формирование топологически плотноупакованных фаз на основе рения в зоне диффузионного взаимодействия покрытия с основой.

Известен способ получения платино-алюминидного диффузионного покрытия, легированного кремнием и гафнием. Покрытие наносят в несколько стадий. Сначала на поверхности жаропрочного сплава формируют начальный алюминидный слой совместным осаждением алюминия, гафния, кремния. Затем на поверхность слоя алюминида наносят платину и проводят алитирование всей композиции. При этом на поверхности жаропрочного сплава образуется однофазное платино-алюминидное покрытие, в зоне диффузионного взаимодействия которого с основой присутствуют силициды гафния, выполняющие роль диффузионного барьера. Слой, содержащий силициды, снижает интенсивность диффузионного обмена между сплавом и покрытием, что повышает циклическую и изотермическую жаростойкость композиции /патент США №6291014/.

Недостатками способа являются сложность и высокая трудоемкость метода нанесения покрытия, а также формирование под покрытием ВРЗ, приводящей к разупрочнению сплава на больших базах испытаний.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты лопаток газовых турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, тантал, иттрий, вольфрам, рений, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг /патент РФ №2190691/.

Недостатками известного способа являются формирование под покрытием ВРЗ, содержащей топологически плотно упакованные фазы (ТПУ-фазы) с высоким содержанием рения, низкая жаростойкость сплава с покрытием, снижение длительной прочности сплава.

Технической задачей изобретения является уменьшение ширины ВРЗ, повышение долговечности и жаростойкости сплава.

Техническая задача достигается тем, что предложен способ защиты лопаток газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, путем введения в вакуум азотсодержащего газа при давлении (0,1-5)·10^-1 Па. При этом толщина керметного слоя составляет 10-30 мкм, а в качестве азотсодержащего газа используют азот или смесь азота с инертным газом.

Проведение начала процесса осаждения конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, в присутствии азотсодержащего газа позволяет сформировать на границе покрытия с ренийсодержащим сплавом керметный слой на никелевой основе, содержащий нитриды тугоплавких металлов и алюминия. При высоких температурах керметный слой препятствует развитию диффузионных процессов между покрытием и защищаемым сплавом. Это, с одной стороны, повышает жаростойкие свойства композиции сплав-покрытие, т.к. в покрытие не проникают элементы, снижающие жаростойкость (кобальт, молибден, титан, ниобий и др.), с другой стороны, тормозится проникновение в поверхностный слой сплава основных легирующих элементов покрытия - алюминия и хрома, что позволяет жаропрочному сплаву более длительное время сохранять свой элементный и фазовый состав, а значит, и прочностные свойства. Нитриды металлов, сформированные при нанесении покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, в присутствии азотсодержащего газа обладают хорошей термической стабильностью при высоких температурах, т.к. диффузионная подвижность азота в никелевой матрице сплава ограничена из-за низкой растворимости азота в никеле (менее 0,001% массы). В результате интенсивность взаимного проникновения легирующих элементов из сплава в покрытие и наоборот невелика, что ограничивает ширину ВРЗ и величину зоны диффузионного взаимодействия покрытия с ренийсодержащим сплавом в целом, повышает жаростойкость и долговечность композиции.

Пример осуществления

На образцы из никелевого сплава ЖС36 для испытаний на жаростойкость диаметром 10 и длиной 25 мм, а также для испытаний на длительную прочность с диаметром рабочей части 5 мм, на промышленной вакуумно-дуговой установке МАП-2 по серийной технологии ФГУП ВИАМ были нанесены четыре вида ионно-плазменных покрытий с использованием никелевого сплава ВСДП-8ВР (системы NiAlCrTaWReY) и алюминиевого сплава ВСДП-18 (системы AlNiCrY).

Подготовка поверхности образцов под нанесение покрытий включала обезжиривание в бензине и ацетоне. Перед нанесением покрытия при электрическом потенциале подложки (350-500) В в течение (3-5) минут проводилась очистка поверхности образцов ионным травлением в плазме материала покрытия. Первый слой конденсированного покрытия из никелевого сплав ВСДП-8ВР, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, и второй слой из алюминиевого сплава ВСДП-18 наносились при токах вакуумной дуги (500-700) А в вакууме (10^-3-10^-2) Па.

При нанесении покрытия по предлагаемому способу, по завершении очистки ионным травлением в камеру подавался азотсодержащий газ - технически чистый азот или его смесь с добавлением инертного газа аргона, ксенона и др. в количестве (20-50)%. Система автоматического регулирования установки обеспечивала постоянное давление азотсодержащего газа в рабочей камере установки в пределах (1-5)·10^-1 Па. При снижении отрицательного электрического потенциала подложки до (100-150) В на поверхности образцов формировался керметный слой из никелевого сплава ВСДП-8ВР, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, представляющий собой металлическую матрицу с включениями мелкодисперсных нитридов тугоплавких металлов и алюминия. Затем подача в рабочую камеру установки азотсодержащего газа прекращалась, отрицательный электрический потенциал подложки уменьшался, и начиналось осаждение покрытия из сплава ВСДП-8ВР без изменения других технологических параметров процесса. Во всех процессах напыления суммарная толщина керметного и первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава ВСДП-8ВР составила 80 мкм. Нанесение второго слоя из алюминиевого сплава ВСДП-18 проводилось в одной садке на установке МАП-2 после замены катода из сплава ВСДП-8ВР на катод из сплава ВСДП-18 для получения одинакового на всех образцах удельного привеса сплава на единицу поверхности 45 г/м² образца. После нанесения керметного, первого и второго слоев конденсированного покрытия образцы были отожжены в вакууме 10^-2 Па при температуре 1050°С в течение 3 ч.

Были проведены лабораторные испытания на жаростойкость в спокойной атмосфере печи на воздухе при температуре 1100°С. Образцы с покрытиями размещали в алундовых тиглях с крышками. Через 300 часов экспозиции проводили визуальный осмотр состояния поверхности и взвешивание образцов вместе с осыпавшейся окалиной для сравнительной оценки жаростойкости композиций по удельному привесу массы на единицу поверхности образцов. После испытаний из образцов были изготовлены микрошлифы для исследования микроструктуры покрытий и определения ширины ВРЗ. Долговечность образцов для испытаний на длительную прочность определялась при температуре 1000°С и нагрузке 250 МПа на базе испытаний 100 ч в процентах по сравнению с долговечностью образцов без покрытия. Для каждого вида испытаний определялось среднее арифметическое значение по результатам испытаний трех образцов с покрытием одного типа. Полученные результаты приведены в таблице.

ТаблицаПараметр
№ п.п.Ширина ВРЗ, мкмЖаростойкость по удельному привесу, г/м²Долговечность, %Давление азотсодержащего газа, Па10^-210^-15×10^-110^-210^-15×10^-110^-210^-15×10^-11. ВСДП-8ВР (80 мкм)+ВСДП-18 (45 г/м²)
Толщина керметного слоя 10 мкм1291071253225311171311202. ВСДП-8ВР (80 мкм)+ВСДП-18 (45 г/м²)
Толщина керметного слоя 20 мкм12351652719211331601513. ВСДП-8ВР (80 мкм)+ВСДП-18(45 г/м²)
Толщина керметного слоя 30 мкм1186371302031124150142В вакууме без подачи азотсодержащего газа4. ВСДП-8ВР (80 мкм)+ВСДП-18 (45 г/м²) прототип15045965. Без покрытия-250100

Как видно из представленного примера, при нанесении покрытия на поверхность образцов в соответствии с предлагаемым способом ширина ВРЗ уменьшается по сравнению с прототипом в (1,5-3) раза, жаростойкость по удельному привесу возрастает в (1,4-2,3) раза, долговечность образцов до разрушения на (20-60)%. Матрица слоя на основе твердого раствора никеля не может препятствовать диффузионному взаимодействию жаростойкого покрытия и жаропрочного сплава, что приводит к постепенному образования ВРЗ. В то же время жаростойкость образцов и долговечность сплава возрастают по сравнению с покрытиями без керметного слоя, т.к. процесс деградации керметного слоя контролируется диффузией и занимает при температуре испытаний несколько десятков часов.

При снижении давления азотсодержащего газа до 10^-2 и менее содержание нитридов в металлической матрице керметного слоя значительно уменьшается, и свойства покрытия становятся близки к свойствам обычного двухслойного покрытия ВСДП-8ВР + ВСДП-18. При увеличении давления более 5·10^-1 Па свойства покрытия также ухудшаются. Из-за избытка азота газа керметный слой приобретает рыхлую структуру, в которой могут присутствовать поры на границе сплав - покрытие, что в совокупности может приводить к отслоению покрытия от основы в процессе проведения испытаний.

Аналогичные результаты были получены на образцах из сплавов ЖС47, ЖС55.

Применение изобретения в производстве рабочих лопаток турбин позволит увеличить ресурс работы турбин высокого давления ГТД различного назначения в (1,5-2) раза, снизит потребность в дорогостоящих жаропрочных сплавах.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов. Способ включает формирование на внешней поверхности пера лопатки керметного слоя из никелевого сплава, последующее осаждение в вакууме первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава и второго слоя на основе алюминия. Керметный слой из никелевого сплава содержит алюминий и тугоплавкие металлы. Данный слой получают путем введения в вакуум азотсодержащего газа при давлении (0,1-5)·10^-1 Па. Никелевый сплав, из которого получают первый слой конденсированного покрытия, содержит алюминий и тугоплавкие металлы. После осаждения упомянутых слоев проводят вакуумный отжиг. В частных воплощениях изобретения толщина керметного слоя составляет 10-50 мкм. В качестве азотсодержащего газа используют азот или смесь азота с инертным газом. Техническим результатом изобретения является уменьшение толщины вторичной реакционной зоны, повышение долговечности и жаростойкости сплава. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ защиты лопаток газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и тугоплавкие металлы, путем введения в вакуум азотсодержащего газа при давлении (0,1-5)·10^-1 Па.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина керметного слоя составляет 10-30 мкм.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащего газа используют азот или смесь азота с инертным газом.