ПРОСТАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ПАРОВ И СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ МНОГОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ АЛЮМИНИДНЫХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2009 года по МПК C23C16/06 C23C16/44 C23C16/54 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Эта заявка относится к заявке с порядковым №09/439210, поданной 12 ноября 1999 г.

Область применения изобретения

Изобретение относится к простой системе химического осаждения из паров и, в частности, к простой системе химического осаждения из паров, оснащенной для создания защитного слоя на деталях реактивного двигателя.

Предпосылки к созданию изобретения

Детали реактивного двигателя, изготовленные из сверхпрочного сплава, подвергаются воздействию экстремальных рабочих условий, которые могут оказать вредное влияние на их поверхность. Для защиты поверхности на нее наносят жертвенный интерметаллический слой для образования защитного оксидного слоя, в то время как деталь реактивного двигателя находится в эксплуатации. После того как жертвенный интерметаллический слой изнашивается и становится тонким во время использования, удаляют этот слой и наносят новый жертвенный интерметаллический слой. Этот процесс повторяют максимально возможное количество раз, чтобы продлить срок службы детали реактивного двигателя.

Интерметаллический слой обычно образуют простым способом химического осаждения из паров (ХОП), при котором очищенную деталь реактивного двигателя подвергают воздействию обедненной кислородом среды в реакционной камере. Внутри реакционной камеры обычно находятся материал-активатор и материал-донор, содержащий, по меньшей мере, один металл, вводимый в интерметаллический слой. Реакционную камеру продувают атмосферными газами и вакуумируют. Материал-активатор и материал-донор нагревают для образования парофазных реагентов, которые вызывают перенос металла из материала-донора к детали реактивного двигателя. Интерметаллический слой, образованный на детали реактивного двигателя, может содержать собственный металл, диффундированный наружу из сплава, образующего деталь реактивного двигателя. Однако интерметаллический слой может также содержать, по меньшей мере, один примесный металл из материала-донора.

Наиболее распространенным примесным металлом, используемым в интерметаллическом слое, является алюминий. С этой целью типичные материалы-доноры содержат алюминий, так что алюминий образует большую часть интерметаллического слоя. Однако желательно, чтобы в интерметаллическом слое в значительной концентрации присутствовал также второй примесный металл. Современные способы введения второго примесного металла в интерметаллический слой являются дорогостоящими и громоздкими и часто приводят к менее желательным интерметаллическим слоям.

Например, обычный материал-донор может представлять собой порошок или мелкие куски хромоалюминиевого сплава, в котором хром присутствует для повышения температуры плавления материала. Как полагают, во время процесса ХОП хром фактически или почти не будет переноситься от материала-донора к детали реактивного двигателя, и даже если хром достигает детали реактивного двигателя, он может неоднородным образом встраиваться в интерметаллический слой. Действительно, так как алюминий является более химически активным, чем хром, то хром из материала-донора не может в значительной концентрации быть введен в интерметаллический слой, пока не исчерпается алюминий из материала-донора. Результатом могут быть интерметаллические слои, отличающиеся плохими свойствами и/или чрезмерно длительной продолжительностью производственного цикла. В определенных случаях применения невозможность выделения хрома из материала-донора может препятствовать достижению полезных результатов, обусловленных присутствием хрома в покрытии, образующемся на детали реактивного двигателя.

Другие подходы к введению двух примесных металлов в интерметаллический слой страдают сопоставимыми недостатками. Например, предлагалось вначале покрывать деталь реактивного двигателя хромом или платиной, например, нанесением электролитического покрытия до помещения ее в реакционную камеру простой системы ХОП и образования интерметаллического слоя. Хотя результатом этого могут быть интерметаллические слои, содержащие хром или платину и алюминий, происходящий из материала-донора, этот способ длителен и является дорогостоящим, а также требует использования значительно больше хрома или платины, чем это необходимо. Кроме того, электролитические покрытия страдают неоднородностью вследствие естественных тенденций электролитических покрытий иметь большую толщину у острых краев и вблизи их.

Таким образом, существует потребность в усовершенствованных устройствах и способе для нанесения алюминидного слоя, имеющего два примесных металла, на детали реактивного двигателя, изготовленные из сверхпрочного сплава, и на другие виды деталей из сверхпрочного сплава.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагаются устройство и способ ХОП для образования алюминидного слоя, содержащего два или большее число примесных металлов, на открытой поверхности детали реактивного двигателя, изготовленной из сверхпрочного сплава, при отсутствии недостатков способов и систем, известных из предшествующего уровня техники и направленных на достижение той же самой цели. В соответствии с сущностью настоящего изобретения, второй примесный металл подается из отдельного контейнера, расположенного снаружи реакционной камеры. Наружный контейнер имеет относительно небольшой объем и выполнен с возможностью содержать в себе твердый материал, содержащий второй примесный металл. Контейнер выполнен обогреваемым и герметизированным, за исключением закрытого хода, который допускает пассивное перемещение парофазного реагента от твердого материала, содержащего второй примесный металл, к главной реакционной камере ХОП.

Первый примесный металл может быть доставлен обычным образом, например, от мелких кусков в простой реакционной камере ХОП или от доноронесущего газа, вводимого в динамическую реакционную камеру ХОП. Однако в отличие от динамических систем ХОП сам отдельный контейнер пассивно соединен с главной реакционной камерой закрытым ходом, что тем самым исключает какую-либо опору на находящийся под давлением поток коррозионного или инертного газа-носителя в наружный контейнер или через него. Контейнер нагревают до температуры, эффективной для превращения твердого материала, содержащего второй примесный металл, в парофазный реагент, который затем по закрытому ходу мигрирует или диффундирует в главную реакционную камеру. Таким образом, второй примесный металл вводят в главную реакционную камеру уже в паровой фазе, но отдельно от другого примесного металла и без помощи находящегося под давлением потока коррозионного или инертного газа-носителя. Примесные металлы в паровых фазах затем могут химически соединяться у поверхности детали реактивного двигателя для образования интерметаллического слоя с многочисленными металлами, но без больших затрат, производственных потерь и других недостатков, известных из уровня техники для систем и способов, которые направлены на введение многочисленных примесных металлов в интерметаллический слой.

Хотя точно не известен механизм успешного обеспечения двумя или большим количеством примесных металлов у детали реактивного двигателя для образования интерметаллического слоя и к тому же отсутствует желание быть ограниченным каким-либо конкретным механизмом или теорией, тем не менее полагают, что диффузия парофазного реагента из контейнера в главную реакционную камеру будет вызываться перепадом давления между ними. Конкретно, ограничение парофазного реагента, содержащего второй примесный металл, внутри сравнительно небольшого по объему контейнера увеличивает местное давление и вызывает диффузию парофазного реагента по закрытому ходу к большему объему внутри главной реакционной камеры. При стандартных температуре и давлении каждый моль материала-донора для второго примесного металла превращается в 22,4 литра газа. Парофазный реагент в контейнере течет от области высокого давления (концентрации) в контейнере к области низкого давления (концентрации) в главной реакционной камере. Следовательно, не требуется помощи потока находящегося под давлением инертного или коррозионного газа-носителя для переноса парофазного реагента, содержащего второй примесный металл, к главной реакционной камере, как в динамической системе ХОП, что упрощает процесс осаждения и исключает необходимость в обращении с потенциально опасными газами. Кроме того, контейнер не нужно выполнять с впускным отверстием для газа-носителя, что упрощает конструкцию и эксплуатацию системы и уменьшает эксплуатационные расходы.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения контейнер может быть расположен непосредственно над верхом главной реакционной камеры и, что еще удобнее, посажен на нее. Контейнер может быть непосредственно соединен с реакционной камерой короткой жесткой трубой или трубопроводом, так чтобы контейнер поддерживался крышкой реакционной камеры и мог быть передвинут с ней. Согласно другому аспекту настоящего изобретения трубу (трубы) также обогревают для поддержания второго примесного металла в паровой фазе таким образом, чтобы он не конденсировался в жидкость или не выпадал в виде твердого вещества при его миграции от контейнера к главной реакционной камере.

Полезно применять короткий трубопровод, который имеет только два нормально открытых отверстия, из которых одно отверстие соединено с отверстием контейнера, а другое отверстие находится в гидравлическом сообщении с главной реакционной камерой, как, например, через прямую трубу, колено или тройник с закрытым концом. Следовательно, не имеется никакого пути для прохождения в контейнер или через него потока газа-носителя, как, например, коррозионных газов, обычно используемых в динамических системах ХОП. Для предоставления еще одного источника примесного металла, как, например, третьего такого металла, может быть подсоединен дополнительный контейнер, находящийся в гидравлическом сообщении через короткий трубопровод.

Согласно вышеизложенному, предлагаются усовершенствованные система и способ ХОП, посредством которых на деталях реактивного двигателя, изготовленных из сверхпрочного металла, могут быть образованы алюминидные слои, содержащие, по меньшей мере, два примесных металла, которые при нагреве в окислительной атмосфере окисляются с образованием наружного слоя или пленки, состоящей из сложного оксида.

Эти и другие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из сопровождающих чертежей и его описания.

Краткое описание чертежей

Сопровождающие чертежи, которые включены в это описание изобретения и составляют его часть, иллюстрируют вариант осуществления изобретения и вместе с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием варианта осуществления изобретения служат для объяснения сущности изобретения.

Фиг.1 - схематический вид устройства ХОП согласно сущности изобретения,

фиг.2 - схематический вид альтернативного варианта выполнения простого устройства ХОП согласно изобретению и

фиг.3 - схематический вид альтернативного варианта выполнения простого устройства ХОП согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Как показано на фиг.1, устройство ХОП 10 согласно сущности изобретения содержит реакционную камеру 12, состоящую из крышки 14 и сосуда 16. Крышка 14 имеет герметичное соединение с сосудом 16, что при герметичном соединении обычно препятствует поступлению кислорода в реакционную камеру 12. Внутреннее пространство 15 определяет среду для осаждения, когда крышка 14 герметично соединена с сосудом 16, продутым атмосферными газами и вакуумированным. Крышка 14 может быть отсоединена от сосуда 16 для предоставления доступа к внутреннему пространству 15. Реакционная камера 12 изготовлена из металла, стойкого к коррозионному действию реагентов ХОП, как, например, из Inconel 601 или RA 353 MA.

Инертный газ, как, например, аргон от источника подачи 18 этого газа, подают в реакционную камеру 12 через впускное отверстие 20. Выпускное отверстие 22 реакционной камеры 12 соединено с вакуум-насосом 24, способным вакуумировать реакционную камеру 12 до вакуумметрического давления. Деталь 26 реактивного двигателя вставляют в реакционную камеру 12 и размещают вдали от источника примесного металла, как это объясняется ниже. Реакционную камеру 12 продувают химически активными атмосферными газами, как, например, кислородом, вакуумируя вакуум-насосом 24 внутреннее пространство 15 реакционной камеры 12 до вакуумметрического давления и подавая во внутреннее пространство 15 реакционной камеры 12 инертный газ от источника подачи 18 инертного газа. Реакционную камеру 12 неоднократно вакуумируют и вновь наполняют, пока остаточные концентрации химически активных атмосферных газов не будут достаточно низкими, чтобы не препятствовать последующему осаждению интерметаллического слоя.

Внутри реакционной камеры 12 расположены контейнер или сосуд 27, содержащий в себе массу или навеску твердого материала-донора 28, контейнер или сосуд 29, содержащий в себе массу или навеску материала-активатора 30, и деталь 26 реактивного двигателя. Контейнер 29 расположен на подставке 31, поддерживаемой сосудом 16. Деталь 26 реактивного двигателя может быть изготовлена из любого сверхпрочного сплава. В число подходящих материалов-активаторов 30, пригодных для использования при этом изобретении, входят, но не ограничиваются ими, фторид алюминия, хлорид алюминия, фторид аммония, бифторид аммония и хлорид аммония. В число подходящих твердых материалов-доноров 28 входят сплавы хрома и алюминия, сплавы кобальта и алюминия и сплавы ванадия и алюминия. Чтобы снабдить первым примесным металлом алюминидное или интерметаллическое покрытие 34, образуемое на детали 26, материал-донор 28 может быть использован в виде мелких кусков или порошка, отделенного от детали 26 реактивного двигателя и не зависящего от нее.

Как также показано на фиг.1, нагревательный элемент 32 при тепловом контакте соединен с реакционной камерой 12 для обеспечения достаточной теплопередачи к материалу-активатору 30. Нагревательный элемент 32 действует для повышения температуры твердого материала-донора 28 и материала-активатора 30 до температуры приблизительно 2200°F, ниже которой испаряется материал-активатор 30. Пар, происходящий из материала-активатора 30, способствует выделению парофазного реагента из твердого материала-донора 28, который ограничен во внутреннем пространстве реакционной камеры 12, содержит примесный металл - обычно алюминий - и действует как источник примесного металла. Согласно изобретению, предполагается, что для увеличения скорости осаждения покрытия через контейнер 29 может быть приложен электрический потенциал постоянного тока при непосредственной связи по постоянному току с деталью 26 реактивного двигателя.

Снаружи реакционной камеры 12 расположен сравнительно небольшой контейнер 36, в котором находится твердый материал-донор 38. Твердый материал-донор 38, предоставляемый либо в виде сухого твердого вещества, как, например, в гидратированной кристаллической форме, либо в виде жидкости, служит источником второго примесного металла, отдельного и отличимого от детали 26 реактивного двигателя. Второй примесный металл объединяется с первым примесным металлом, подаваемым от материала-донора 28, для образования на детали 26 реактивного двигателя алюминидного покрытия 34, которое на фиг.1 для ясности показано с увеличенной толщиной. Состав твердого материала-донора 38 отличается от состава твердого материала-донора 28, присутствующего в реакционной камере 12.

Контейнер 36 выполнен с такими размерами, чтобы вмещать в себя твердый материал-донор 38. Реакционная камера 12 выполнена с такими размерами, чтобы вмещать в себя деталь 26 реактивного двигателя. Следовательно, размеры реакционной камеры 12 значительно больше, чем размеры контейнера 36. Так как контейнер 36 и главная камера 12 разделяют среду для осаждения, то остаточные атмосферы в них являются общими. Любой остаточный инертный газ, оставшийся внутри реакционной камеры 12 и контейнера 36 после процесса продувки с вакуумированием и наполнением, представляет собой часть среды для осаждения. Парофазный реагент, содержащий второй примесный металл, перемещается из контейнера 36 в реакционную камеру 12 без помощи находящегося под давлением газа-носителя. Как понятно специалисту в данной области техники, остаточный инертный газ не представляет собой газ-носитель, поскольку не имеется никакого находящегося под давлением потока идентифицируемого газа-носителя, который способен переносить парофазный реагент, содержащий второй примесный металл, из контейнера 36 в реакционную камеру 12. В общем, объем реакционной камеры 12, по меньшей мере, в десять раз больше, чем объем контейнера 36 и трубопровода 40. В примерном варианте осуществления изобретения контейнер 36 имеет объем около 50 см³, реакционная камера 12 имеет объем около 27000 см³, и трубопровод 40 имеет объем около 10 см³.

Как также показано на фиг.1, внутреннее пространство 39 контейнера 36 соединено при гидравлическом сообщении с внутренним пространством 15 реакционной камеры 12 трубопроводом 40, который может иметь форму тройника, определяющего канал 42 для пара. С этой целью трубопровод 40 имеет два нормально открытых отверстия 41, 43. Отверстие 41 герметично соединено с отверстием 45 контейнера 36, а отверстие 43 соединено при гидравлическом сообщении с реакционной камерой 12, так что реакционная камера 12 и контейнер 36 совместно используют общую и замкнутую среду или атмосферу, которая допускает перенос испарившегося материала-донора 38 в реакционную камеру 12. Канал 42 для пара с пользой свободен от клапанной системы, так что атмосфера внутри контейнера 36 не может быть изолирована от атмосферы внутри реакционной камеры 12. Контейнер 36 изготовлен из материала, способного поддерживать вакуумметрическое давление до 100 Торр. Трубопровод 40 может быть образован трубой с номинальным диаметром 0,5 дюйма и может быть либо сортамента 40, либо сортамента 80 в зависимости от давления в трубопроводе. Контейнер 36 может быть подвешен над крышкой 14 посредством трубопровода 40, может поддерживаться от крышки 14 посредством опорной конструкции (не показана) или может поддерживаться отдельно посредством независимой опорной конструкции (не показана).

Контейнер 36 можно открывать для пополнения при необходимости навеской из второго твердого материала-донора 38 для смены вида твердого материала-донора 38 с целью подачи другого металла в реакционную камеру 12 или для чистки. Контейнер 36 газонепроницаемым образом герметично и с возможностью съема соединен с трубопроводом 40. С этой целью контейнер 36 содержит кольцевой фланец 48, который может быть газонепроницаемым образом соединен с кольцевым фланцем 50, окружающим отверстие 52 трубопровода 40. Контейнер 36 может быть выложен керамической футеровкой (не показана), как, например, глиноземной футеровкой для предотвращения возникновения коррозии, вызываемой вторым материалом-донором 38. Контейнер 36 может быть выполнен с возможностью получения продувочного потока инертного газа, как, например, аргона через, например, впускное отверстие 54, которое обычно закрыто колпаком. Продувочный поток был бы полезен во время загрузки контейнера 36 массой или навеской второго материала-донора 38 и, кроме того, до или после нанесения покрытия, происходящего в реакционной камере 12. Контейнер 36 может быть сформирован из высокопрочного сплава на основе никеля, как, например, Inco 600, Haynes 120, Inco 601 или Hastelloy C276, который стоек к коррозии хлорид-ионами.

Как также показано на фиг.1, контейнер 36 и трубопровод 40, ведущий к реакционной камере 12, нагревают соответствующими нагревателями 44, 46. Нагреватель 46 способен нагревать трубопровод 40 до температуры, по меньшей мере, около 1000°F. Действие нагревателя 46 предотвращает осаждение металлического парофазного реагента, перемещаемого из контейнера 36 в реакционную камеру 12, в виде жидкости и/или твердого вещества на внутренних поверхностях трубопровода 40. Нагреватель 44 должен быть способен нагревать контейнер 36 и второй материал-донор 38 до температуры, по меньшей мере, 2000°F за 20 минут. Любой из нагревателей 44, 46 может состоять, например, из многочисленных нагревательных элементов, заделанных в керамический элемент. Подходящие нагревательные элементы имеются на рынке от Kanthal Globar (Ниагара-Фолз, шт.Нью-Йорк, США).

Обращенная наружу поверхность нагревателей 44, 46 теплоизолирована, так чтобы операторы не могли обжечься, когда контейнер 36 горячий. Контейнер 36 может быть оснащен устройством для измерения температуры (не показано), как, например, термопарой или, точнее, термопарой типа К и устройством индикации температуры (не показано), электрически соединенным с устройством для измерения температуры. Температуру контейнера 36 регулируют так, чтобы она не превышала температуру испарения второго материала-донора 38 больше, чем на около 15°F. Нагреватели 44, 46 могут выборочно включаться оператором или могут работать в автоматическом режиме под управлением управляющего устройства реакционной камеры 12.

Как также показано на фиг.1, твердым материалом-донором 38, помещенным в контейнер 36, может быть любая твердая металло-галогеновая кислота Льюиса, имеющая состав, содержащий металлический элемент, выбранный для взаимодействия с металлическим элементом в парофазном реагенте, происходящем из твердого материала-донора 38, для образования алюминидного покрытия на открытой поверхности детали 26 реактивного двигателя. Металло-галогеновая кислота Льюиса обычно поставляется в виде твердого материала в гидратной или безводной форме, как, например, в виде мелких кусков или порошка, хотя изобретение не ограничено этим, и предпочтительно является свободной от алюминия. Такие металло-галогеновые кислоты Льюиса отличаются металлическим элементом, как, например, хромом, цирконием, иттрием, гафнием, платиной, палладием, родием, иридием, титаном, ниобием, кремнием и кобальтом, химически связанным с галогеном, как, например, фтор-, хлор-, бром- и иод-ионом. В число подходящих кислот Льюиса входят, но не ограничиваются ими, AlCl₃, CoCl₄, CrCl₃, CrF₃, FeCl₃, HfCl₃, IrCl₃, PtCl₄, RhCl₃, RuCl₃, TiCl₄, YCl₃, ZrCl₄ и ZrF₄. Металло-галогеновые кислоты Льюиса могут быть химическими веществами с чистотой по стандарту Американского химического общества или с высокой чистотой реагента и по существу свободны от загрязнений, как, например, серы. При нагревании такие металло-галогеновые кислоты Льюиса преобразуются из формы сухого твердого вещества в форму жидкости, а при увеличении температуры преобразуются из формы жидкости в пар для предоставления парофазного реагента, содержащего примесный металл. Тщательно регулируя температуру контейнера 36, можно использовать регулирование превращения в парофазный реагент для того, чтобы регулировать ввод парофазного реагента в реакционную камеру 12.

При нагреве до достаточной температуры в контейнере 36 твердый материал-донор 38 образует парофазный реагент, перемещаемый или переносимый по трубопроводу 40 к реакционной камере 12. Реакционная камера 12 и контейнер 36 с пользой совместно используют общую среду или атмосферу, потому что одно нормально открытое отверстие 43 трубопровода 40 соединено при гидравлическом сообщении с внутренним пространством 15 реакционной камеры 12, а другое нормально открытое отверстие 45 герметично соединено с отверстием контейнера 36. Этот подход контрастирует с динамическими системами ХОП, которые вместо этого основываются на пропуске коррозионного газа, как, например, хлористого водорода или газа-носителя, через материал-источник, содержащийся во внешней камере с исходным веществом. Подход согласно изобретению исключает необходимость в источнике газа и в перемещении газа-носителя или коррозионного газа от источника газа к контейнеру 36, требующихся при динамической системе ХОП. Масса или навеска твердого материала-донора 39, введенного в контейнер 36, регулирует состав алюминидного покрытия, образующегося на детали 26 реактивного двигателя. Например, масса твердого материала-донора 39 может быть изменена так, чтобы покрытие 34 содержало менее 10 вес.% металлического элемента из твердого материала-донора 38.

Согласно изобретению предполагается, что реакционная камера 12 может содержать опорную плиту, на которой расположены деталь 26 реактивного двигателя, контейнер 27, контейнер 29 и колпак, который изготовлен из металла и может быть отсоединен от опорной плиты для доступа. В этом альтернативном варианте осуществления изобретения трубопровод 40 от контейнера 36 был бы соединен с внутренним пространством 15 через колпак. Кроме того, согласно изобретению предполагается, что в альтернативном варианте осуществления изобретения материал-донор 38 в контейнере 36 может быть твердым материалом-активатором, который при нагревании до достаточной температуры способен предоставлять дополнительный материал-активатор в реакционную камеру 12.

Как также показано на фиг.1, при использовании устройства в реакционную камеру 12 помещают деталь 26 реактивного двигателя, навеску первого материала-донора 28 и навеску материала-активатора 30, а в контейнер 36 - навеску второго материала-донора. Продувают атмосферными газами внутреннее пространство 39 контейнера 36 и внутреннее пространство 15 реакционной камеры 12, неоднократно впуская инертный газ от источника подачи 18 инертного газа через впускное отверстие 20 и вакуумируя вакуум-насосом 24 через выпускное отверстие 22. После последнего цикла продувки вакуумируют до вакуумметрического давления около 100 Торр. Первый металлический компонент, вводимый в алюминидное покрытие 34, выделяется из первого материала-донора 28 в виде первого парофазного реагента при посредничестве паров нагретого материала-активатора 30, которые образуются при нагреве, как это схематически показано с обозначением позицией 33. Диффузия первого парофазного реагента к детали 26 реактивного двигателя схематически показана с обозначением позицией 35.

Контейнер 36 нагревают нагревателями 44 до температуры, эффективной для образования второго парофазного реагента из твердого материала-донора 38, который доставляется к реакционной камере 12 по нагретому трубопроводу 40, как это схематически показано с обозначением позицией 37. Таким образом, второй примесный металл вводится в главную реакционную камеру 12 уже в паровой фазе, но отдельно от другого примесного металла. Примесные металлы, присутствующие в отдельных парофазных реагентах, объединяются у открытой поверхности детали 26 реактивного двигателя и образуют на детали 26 реактивного двигателя алюминидное покрытие 34, содержащее разные примесные металлы. Как понятно специалистам в данной области техники, в процесс нанесения покрытия могут быть включены дополнительные стадии, как, например, циклы выдержки и очистки. Извлекают деталь 26 реактивного двигателя из реакционной камеры 12. В нагретой окислительной среде, как, например, в той, в которой деталь 26 реактивного двигателя функционирует на самолете, окисление открытой поверхности алюминидного покрытия 34 приводит к образованию сложного оксида, который защищает нижележащий высокопрочный сплав от повреждения.

Что касается этого конкретного случая применения, алюминидное покрытие 34 на детали 26 реактивного двигателя имеет ограниченный срок службы и постепенно разрушается. Деталь 26 реактивного двигателя нужно периодически проверять и, возможно, снимать с эксплуатации для повторного нанесения алюминидного покрытия 34. С другой стороны, можно с регулярными интервалами снимать деталь 26 двигателя внутреннего сгорания для повторного нанесения алюминидного покрытия 34. После снятия детали 26 с эксплуатации удаляют любой существующий слой сложного оксида и остаточное алюминидное покрытие 34 на детали 26 реактивного двигателя, например, снятием кислотой и/или дробеструйной очисткой для обнажения свежей поверхности детали 26. Деталь 26 реактивного двигателя снова покрывают другим алюминидным покрытием 34 в соответствии с сущностью изобретения и вновь возвращают на эксплуатацию.

Как показано на фиг.2, на которой одинаковыми позициями обозначены одинаковые детали, контейнер 36 может быть расположен наверху крышки 14 и в контакте с этой крышкой, служащей конструктивной опорой. При этом расположении благодаря сокращению длины трубопровода 40 уменьшается путь перемещения в реакционную камеру 12 парофазного реагента, происходящего из второго материала-донора 38 в контейнере 36. Такое расположение можно осуществить, изменяя размеры трубопровода 40.

В альтернативном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, второй контейнер 36а может быть пассивно соединен при закрытом гидравлическом сообщении с реакционной камерой 12. Контейнер 36а по существу одинаков с контейнером 36, за исключением того, что он вмещает материал-донор 56, который содержит третий примесный металл, отличающийся по составу от примесных металлов в материалах-донорах 28, 38. Контейнер 36а соединен закрытым ходом с реакционной камерой 12, так что парофазный реагент, происходящий из материала-донора 56, можно перемещать к реакционной камере 12, не прибегая к потоку газа-носителя. Таким образом, примесный металл из контейнера 36а вводят в главную реакционную камеру уже в паровой фазе, но отдельно от других примесных металлов. Три примесных металла в их соответствующих паровых фазах объединяются у поверхности детали 26 реактивного двигателя для образования интерметаллического слоя, содержащего многочисленные примесные металлы.

Согласно сущности изобретения простая система ХОП согласно изобретению с добавленным контейнером 36а может быть также использована, например, для нанесения второго покрытия на открытую поверхность ранее нанесенного алюминидного покрытия. Например, покрытие из иттрия, закрывающее алюминидное покрытие, было бы связано с серой, которая в противном случае могла бы оказывать вредные воздействия на характеристики алюминида, когда деталь 26 реактивного двигателя находилась бы в эксплуатации. Технологический процесс нанесения второго покрытия включал бы в себя понижение температуры контейнера 36 после образования на детали 26 реактивного двигателя первого покрытия из примесных металлов от материалов-доноров 28, 38, так чтобы материал-донор 38 больше не испарялся, и нагревание контейнера 36а, так чтобы материал-донор 56 испарялся для перемещения в реакционную камеру 12.

Согласно еще одному альтернативному варианту осуществления изобретения, также показанному на фиг.2, с впускным отверстием 54а второго контейнера 36 соединен третий контейнер 36b. Контейнер 36b по существу одинаков с контейнерами 36, 36а, за исключением того, что он содержит в себе материал-донор 58, отличающийся по составу от примесных металлов, происходящих от материалов-доноров 28, 38 и 56. В частности, контейнер 36b соединен закрытым ходом с контейнером 36а и реакционной камерой 12, так что парофазный реагент, происходящий от материала-донора 58, и парофазный реагент, происходящий от материала-донора 56 и содержащий четвертый примесный металл, можно перемещать в реакционную камеру 12 в отсутствие потока газа-носителя. В соответствии с сущностью изобретения простая система ХОП согласно изобретению с дополнительным контейнером 36b может быть использована для того, чтобы подавать четвертый примесный металл в реакционную камеру 12 для нанесения на открытую поверхность детали 26 реактивного двигателя сложных покрытий, содержащих вплоть до четырех отдельных примесных металлов. Например, могут быть нанесены два покрытия во взаимодействии с дополнительными примесными металлами, происходящими из контейнеров 36, 36а, 36b, как, например, переходное покрытие, переходящее по составу от алюминида к цирконию и, в частности, стабилизированному иттрием цирконию. Определенные примесные металлы, подаваемые к детали 26 реактивного двигателя и объединяемые у нее, выбирали бы, регулируя температуры контейнеров 36, 36а, 36b. Такое ступенчатое покрытие становилось бы эффективной подложкой для стабилизированного иттрием циркония, осажденного при последующем процессе физического осаждения из паров (ФОП).

Согласно еще одному альтернативному варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.3, источник 60 исходного вещества соединен с реакционной камерой 12 транспортным трубопроводом 62. Источник 60 исходного вещества загружен некоторым количеством подходящего исходного вещества, содержащего примесный металл, и нагрет до температуры, при которой исходное вещество создает соответствующее давление пара для возможности его переноса газом-носителем в реакционную камеру 12. С этой целью по подающей трубе 66 обеспечивается регулируемый поток газа-носителя от источника 64 подачи газа-носителя к источнику 60 исходного вещества. Газ-носитель течет через источник 60 исходного вещества и тем самым уносит пары исходного вещества, смешиваясь с ними для образования газовой смеси, содержащей примесный металл, который по транспортному трубопроводу 62 переносится к реакционной камере 12. Источник 60 исходного вещества замещает и заменяет контейнеры 27, 29 (фиг.1), так как первый примесный металл доставляется от источника 60 исходного вещества, а не от твердого материала-донора 28. Примесный металл, происходящий от источника 60 исходного вещества, таким образом, вводится в главную реакционную камеру отдельно от другого примесного металла, перемещающегося из контейнера 36. Примесные металлы в их паровых фазах затем могут химически объединяться у поверхности детали 26 реактивного двигателя для образования интерметаллического слоя, содержащего многочисленные примесные металлы.

Согласно еще одному альтернативному варианту осуществления изобретения, также показанному на фиг.3, внутреннее пространство 71 контейнера 36 с прямым отрезком нагретого трубопровода 70 соединено закрытым ходом с реакционной камерой 12. Как и в контейнерах 36, 36а, 36b, в контейнере 36 с образуется парофазный реагент от подходящего материала-донора 72 для пассивного перемещения через трубопровод 70 в реакционную камеру 12 без помощи потока газа-носителя. Вход в трубопровод 70 расположен в верхней части внутреннего пространства 71 над навеской из материала-донора 72, так что парофазный реагент может входить в трубопровод 70 для перемещения в реакционную камеру 12. Внутреннее пространство 71 контейнера 36 с доступно благодаря съемной крышке 74 и нагревается нагревателем 76.

Хотя настоящее изобретение было пояснено описанием варианта его осуществления и конкретными примерами, и хотя этот вариант осуществления изобретения описан со значительными подробностями, он, как предполагают, не ограничивает или никоим образом не лимитирует такими подробностями пределы прилагаемой формулы изобретения. Для специалистов в данной области техники будут легко понятны дополнительные преимущества и модификации. Например, трубопровод 40 может быть выполнен в форме колена, а не тройника. Следовательно, изобретение в его более широких аспектах не ограничивается конкретными подробностями, характерным устройством и способами и показанными и описанными иллюстративными примерами. Таким образом, могут быть сделаны отклонения от таких подробностей, не выходя при этом за пределы общей изобретательской идеи заявителя или не отклоняясь от ее сущности.

Изобретение относится системе и способу химического осаждения из паров (ХОП) для нанесения на деталь реактивного двигателя алюминидного покрытия и может найти применение при изготовлении и ремонте реактивных двигателей. Выполняют покрытие, состоящее из двух или большего числа примесных металлических компонентов. Алюминидное покрытие способно образовывать защитный сложный оксид при последующем нагреве в окислительной среде. По меньшей мере, один из примесных металлов в алюминидном покрытии доставляют в виде отдельного парофазного реагента из контейнера, соединенного закрытым ходом с реакционной камерой системы ХОП и свободного от газа-носителя. Алюминидное покрытие образуют посредством химического объединения парофазного реагента с другим парофазным реагентом, образованным либо на месте в реакционной камере, либо поданным газом-носителем к реакционной камере от источника исходного вещества. В результате получают качественное покрытие.2 н. и 35 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система химического осаждения из паров для образования покрытия (34), содержащая главную реакционную камеру (12), выполненную с возможностью содержать в себе деталь (26) и при нагревании образовывать среду для осаждения для способствования образованию покрытия на детали (26), в которой первый парофазный реагент (35) и второй парофазный реагент (37), по меньшей мере, один из которых содержит первый примесный металл, взаимодействуют для образования на детали (26) покрытия (34), содержащего первый примесный металл, и первый контейнер (36) снаружи главной реакционной камеры (12), выполненный с возможностью содержать в себе источник (38) второго парофазного реагента (37), при этом первый контейнер (36) сообщается со средой для осаждения главной реакционной камеры (12) по первому ходу (42) так, чтобы совместно использовать среду для осаждения главной реакционной камеры (12) и допускать пассивное перемещение второго парофазного реагента (37) из первого контейнера (36) к главной реакционной камере (12), отличающаяся тем, что главная реакционная камера (12) выполнена с возможностью содержать в себе деталь (26) реактивного двигателя, на которой должно быть образовано покрытие (34), первый контейнер (36) герметизирован, за исключением первого хода (42), в котором расположен первый нагреватель (44) для нагрева первого контейнера (36), и в котором второй парофазный реагент (37) является перемещаемым из первого контейнера (36) к главной реакционной камере (12) без помощи потока газа-носителя.

2. Система по п.1, содержащая средство для подачи первого парофазного реагента (35) к главной реакционной камере (12).

3. Система по п.2, в которой средство подачи является транспортным трубопроводом (62), отдельным от первого хода (42).

4. Система по п.2, в которой средство подачи содержит средство для содержания в себе твердого материала-донора (28), содержащего первый примесный металл, и средство для содержания в себе материала-активатора (30), который, будучи испарившимся, химически реагирует с твердым материалом-донором (28) для обеспечения первым парофазным реагентом (35).

5. Система по п.4, в которой указанное средство для содержания в себе твердого материала-донора (28) является контейнером (27), и в которой указанное средство для содержания в себе материала-активатора (30) является контейнером (29).

6. Система по п.1, в которой второй парофазный реагент (37) является пассивно перемещаемым из первого контейнера (36) к главной реакционной камере (12) без помощи потока коррозионного газа.

7. Система по п.1, в которой первый ход (42) определен трубопроводом (40), имеющим первое отверстие (41), соединенное при гидравлическом сообщении с первым контейнером (36), и второе отверстие (43), соединенное при гидравлическом сообщении с главной реакционной камерой (12).

8. Система по п.7, в которой первый контейнер (36) имеет единственное отверстие (45) контейнера, соединенное при закрытом гидравлическом сообщении с первым отверстием (41) трубопровода (40).

9. Система по п.7, в которой трубопровод (40) является трубой, гидравлически соединяющей среду для осаждения главной реакционной камеры (12) с первым контейнером (36).

10. Система по любому из пп.7-9, в которой трубопровод (40) является тройником, гидравлически соединяющим среду для осаждения главной реакционной камеры (12) с первым контейнером (36).

11. Система по п.1, содержащая второй нагреватель (32), расположенный для нагрева главной реакционной камеры (12).

12. Система по п.11, в которой, по меньшей мере, один из первого нагревателя (44) и второго нагревателя (32) расположен для нагрева первого хода (42).

13. Система по п.1, содержащая второй контейнер (36b) снаружи главной реакционной камеры (12), выполненный с возможностью содержать в себе источник (58) третьего парофазного реагента, при этом второй контейнер (36b) сообщается со средой для осаждения главной реакционной камеры (12) по первому ходу (42) так, чтобы совместно использовать среду для осаждения главной реакционной камеры (12) и допускать пассивное перемещение третьего парофазного реагента из второго контейнера (36b) к главной реакционной камере (12).

14. Система по п.13, содержащая третий контейнер (36а, 36с) снаружи главной реакционной камеры (12), выполненный с возможностью содержать в себе источник (56, 72) четвертого парофазного реагента, при этом третий контейнер (36а, 36с) сообщается со средой для осаждения главной реакционной камеры (12) по третьему ходу, отдельному от первого хода (42), так, чтобы совместно использовать среду для осаждения главной реакционной камеры (12) и допускать пассивное перемещение четвертого парофазного реагента из третьего контейнера (36а, 36с) к главной реакционной камере (12), и третий контейнер (36а, 36с) герметизирован, за исключением второго хода.

15. Система по п.1, содержащая второй контейнер (36а, 36с) снаружи главной реакционной камеры (12), выполненный с возможностью содержать в себе источник (56, 72) третьего парофазного реагента, при этом второй контейнер (36а, 36с) сообщается со средой для осаждения главной реакционной камеры (12) по второму ходу, отдельному от первого хода (42), так, чтобы совместно использовать среду для осаждения главной реакционной камеры (12) и допускать пассивное перемещение третьего парофазного реагента из второго контейнера (36а, 36 с) к главной реакционной камере (12), и второй контейнер (36а, 36 с) герметизирован, за исключением второго хода.

16. Система по п.1, в которой первый контейнер (36) механически поддерживается реакционной камерой (12).

17. Система по п.1, в которой реакционная камера (12) содержит сосуд (16) и крышку (14), съемную с сосуда (16), и первый контейнер (36) механически поддерживается крышкой (14).

18. Система по п.1, в которой главная реакционная камера (12) имеет первый объем, имеющий размеры для приема детали (26) реактивного двигателя, а первый контейнер (36) имеет второй объем значительно меньше, чем первый объем главной реакционной камеры (12).

19. Система по п.18, в которой первый объем главной реакционной камеры (12), по меньшей мере, в десять раз больше, чем второй объем первого контейнера (36).

20. Система по п.1, в которой главная реакционная камера (12) содержит впускное отверстие (20), выполненное для приема инертного газа по второму ходу, отдельному от первого хода (42), и выпускное отверстие (22), выполненное для вакуумирования реакционной камеры (12), которые совместно обеспечивают выдувание химически активных газов из реакционной камеры (12).

21. Система по п.1, в которой второй парофазный реагент (37) содержит первый примесный металл, первый парофазный реагент (35) содержит второй примесный металл, отличающийся по составу от первого примесного металла, и покрытие (34) содержит первый и второй примесные металлы.

22. Способ осаждения для образования покрытия (34) на детали (26) реактивного двигателя, содержащий этапы: помещают деталь (26) в среду для осаждения в главной реакционной камере (12), доставляют первый парофазный реагент (35), содержащий первый примесный металл, независимый от указанной детали (26), в среду для осаждения внутри главной реакционной камеры (12), нагревают указанную деталь (26), перемещают второй парофазный реагент (37) из первого контейнера (36) снаружи главной реакционной камеры (12) к среде для осаждения внутри главной реакционной камеры (12), в то время как нагретая деталь (26) находится в главной реакционной камере (12), и образуют покрытие (34), содержащее первый примесный металл, на указанной детали (26) посредством взаимодействия между первым парофазным реагентом (35) и вторым парофазным реагентом (37), отличающийся тем, что главную реакционную камеру (12) выполняют с возможностью содержать в себе деталь (26) реактивного двигателя, на которой должно быть образовано покрытие (34), и что второй парофазный реагент (37), свободный от потока газа-носителя, перемещают в первый контейнер (36).

23. Способ осаждения по п.22, при котором доставка первого парофазного реагента (35) представляет собой перемещение пара, содержащего источник первого примесного металла, к реакционной камере (12) в потоке газа-носителя.

24. Способ осаждения по п.22, при котором доставка первого парофазного реагента (35), кроме того, содержит помещение материала-активатора (30) и материала-донора (28), содержащего первый примесный металл, в реакционную камеру (12) и реагирование материала-активатора (30) с материалом-донором (28) для обеспечения первым парофазным реагентом (35).

25. Способ осаждения по п.24, при котором реагирование материала-активатора (30), кроме того, содержит достаточный нагрев материала-активатора (30) для того, чтобы вызвать миграцию материала-активатора (30) к материалу-донору (28) и тем самым вызвать химическую реакцию с выделением первого парофазного реагента (35).

26. Способ осаждения по п.24, при котором доставка второго парофазного реагента (37), кроме того, содержит пассивную доставку дополнительного испарившегося материала-активатора из первого контейнера (36) для реагирования с материалом-донором (28).

27. Способ осаждения по п.24, при котором второй парофазный реагент (37) включает в себя второй примесный металл, отличающийся по составу от первого примесного металла.

28. Способ осаждения по п.27, при котором образование покрытия (34), кроме того, содержит этап, на котором осуществляют контакт первого и второго парофазных реагентов (35, 37) с нагретой деталью (26) реактивного двигателя в течение времени, эффективного для образования на указанной детали (26) реактивного двигателя покрытия (34), содержащего первый и второй примесные металлы.

29. Способ осаждения по п.28, при котором покрытие (34) образуют в виде алюминидного слоя, способного образовывать сложный оксид при нагреве в окислительной среде.

30. Способ осаждения по п.30, при котором второй примесный металл составляет меньше, чем 10 вес.% алюминидного слоя.

31. Способ осаждения по любому из пп.27-30, при котором первый примесный металл происходит из металлогалогенной кислоты Льюиса.

32. Способ осаждения по п.1 4, при котором металлогалогенную кислоту Льюиса используют в виде гидратированного или безводного твердого соединения.

33. Способ осаждения по п.31, при котором металлогалогенную кислоту Льюиса выбирают из группы, состоящей из AlCl₃, CoCl₄, CrCl₃, CrF₃, FeCl₃, HfCl₃, IrCl₃, PtCl₄, RhCl₃, RuCl₃, TiCL₄ YCl₃, ZrCl₄ и ZrF₄.

34. Способ осаждения по п.27, при котором в качестве второго примесного металла используют алюминий, а первый примесный металл выбирают из группы, состоящей из хрома, кобальта, гафния, иридия, ниобия, палладия, платины, родия, кремния, титана, иттрия и циркония.

35. Способ осаждения по п.22, кроме того, содержащий этап, на котором соединяют единственное отверстие первого контейнера (36) при гидравлическом сообщении с главной реакционной камерой (12), а первый контейнер (36) герметизируют, за исключением первого хода (42).

36. Способ осаждения по п.22, кроме того, содержащий этап, на котором механически поддерживают первый контейнер (36) посредством реакционной камеры (12).

37. Способ осаждения по п.22, при котором указанную деталь (26) реактивного двигателя изготавливают из сверхпрочного сплава.