ЖАРОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2009 года по МПК C03C8/14 

Изобретение относится к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей (камера сгорания, стабилизаторы, створки, проставки и др.) из высокожаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации при температуре 1200°С, используемых в авиационной технике и в машиностроении.

Жаропрочные сплавы при высоких температурах имеют тенденцию к активному окислению, в связи с чем для повышения сопротивляемости сплавов высокотемпературной газовой коррозии эффективны защитные эмалевые покрытия, регламентирующие процесс окисления металла при высоких температурах. Необходимыми условиями эффективной защиты сплавов являются: высокие эксплуатационные характеристики покрытий при рабочей температуре, такие как термостойкость, температуроустойчивость, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.

Известно жаростойкое покрытие следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 20,0-33,0, В₂О₃ 4,0-5,0, Al₂О₃ 7,0-8,0, ВаО 7,0-8,0, СаО 4,0-5,5, MgO 0,5-1,5, TiO₂ 1,0-2,2, Cr₂О₃ 15,0-17,0, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ 5,0-6,0, полиметилфенилсилоксан 0,5-0,8, кремнийорганическая смола 11,5-12,5 ксилол 10,0-11,0, SiB₄ 1,5-2,5, при этом минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, мас.%: SiO₂ 56,25-58,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, СаО 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, К₂О 2,5-2,6, Na₂О 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0 или SiO₂ 35,25-40,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, СаО 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, K₂О 2,5-2,6, Na₂О 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0, SiB₄ 18,0-21,0 (Патент РФ №2273609).

Недостатком известного покрытия является то, что оно работоспособно и имеет высокие эксплуатационные характеристики при температурах не выше 1000°С.

Известно покрытие, имеющее следующий химический состав, мас.%: фритта А: SiO₂ 35-50, В₂О 3-10, Al₂О₃ 0-5 и/или Sb₂О₃, RO 0-5, R¹ ₂О 15-30, TiO₂ 20-30, ZnO 0,1-10, Fe₂О₃ 0-10, Cr₂О₃, NiO, MnO, CoO и/или CuO, фритта В: SiO₂ 40-60, B₂О 3-10, Al₂О₃ 10-25, RO 10-30, R¹ ₂О 0,1-10, Fe₂О₃ 0-10, Cr₂О₃, NiO, MnO, CoO и/или CuO, где RO включает MgO, СаО, SrO и/или ВаО, a R¹ ₂О Na₂О, К₂О и/или Li₂О, сырьевые материалы, выбранные из группы: кварц, полевой шпат, оксид циркония, волластонит, нефелин, сиенит и другие, а также необходимые количества добавок из группы Fe₂О₃, Сг₂О₃, NiO, MnO, CoO, CuO, TiO₂ и их смесей (Патент ЕР №0948466).

Известно жаростойкое покрытие следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 20,0-36,0, В₂О₃ 4,0-5,0, А1₂О₃ 5,0-6,0, ВаО 5,0-6,0, СаО 2,0-4,0, MgO 0,5-1,5, TiO₂ 1,5-2,5, Cr₂О₃ 15,0-17,0, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ 5,0-6,0, Na₂О 4,0-5,0, P₂O₅ 1,0-2,0, полиметилфенилсилоксан 0,5-0,8,кремнийорганическая смола 11,5-13,2, ксилол, при этом минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, мас.%: SiO₂ 56,25-58,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, СаО 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, К₂О 2,5-2,6, Na₂О 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0 или SiO₂ 35,25-40,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, СаО 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, К₂О 2,5-2,6 Na₂О 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0, SiB₄ 18,0-21,0 (Патент РФ 2239616).

Известные составы покрытий для жаропрочных никелевых сплавов обладают пониженными температуроустойчивостью, термостойкостью и прочностью сцепления со сплавами при рабочей температуре 1200°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаростойкое покрытие состава, мас.%:

SiO₂ 38,0-52,6 В₂О₃ 6,0-7,5 Al₂О₃ 18,0-20,0 ВаО 7,0-9,0 СаО 3,5-7,5 MgO 0,9-2,0 TiO₂ 2,5-4,0 Cr₂О₃ 4,0-5,5 минеральное комплексное соединение 5,5-6,5 на основе SiO₂  

При этом минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, мас.%:

SiO₂ 56,25-58,05 А1₂О₃ 34,3-35,1 СаО 1,0-1,2 MgO 1,0-1,1 К₂О 2,5-2,6 Na₂О 0,6-0,7 TiO₂ 1,6-1,8 SO₃ 0,15-0,25 Fe₂О₃ 0,8-1,0

или

SiO₂ 35,25-40,05 Al₂О₃ 34,3-35,1 СаО 1,0-1,2 MgO 1,0-1,1 K₂О 2,5-2,6 Na₂О 0,6-0,7 TiO₂ 1,6-1,8 SO₃ 0,15-0,25 Fe₂О₃ 0,8-1,0 SiB₄ 18,0-21,0

(Патент РФ п №2163897)

Недостатком прототипа также является пониженная температуроустойчивость, термостойкость и прочность сцепления со сплавами при рабочей температуре 1200°С.

Технической задачей изобретения является создание жаростойкого покрытия с повышенной температуроустойчивостью, термостойкостью и прочностью сцепления для жаропрочных никелевых сплавов при температуре эксплуатации 1200°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено жаростойкое покрытие, содержащее SiO₂, В₂О₃, Al₂О₃, ВаО, СаО, MgO, TiO₂, Cr₂О₃, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, химического состава, мас.%:

SiO₂ 56,25-58,05 Al₂О₃ 34,3-35,1 СаО 1,0-1,2 MgO 1,0-1,1 К₂О 2,5-2,6 Na₂О 0,6-0,7 TiO₂ 1,6-1,8 SO₃ 0,15-0,25 Fe₂О₃ 0,8-1,0

или

SiO₂ 35,25-40,05 Al₂О₃ 34,3-35,1 СаО 1,0-1,2 MgO 1,0-1,1 K₂О 2,5-2,6 Na₂О 0,6-0,7 TiO₂ 1,6-1,8 SO₃ 0,15-0,25 Fe₂О₃ 0,8-1,0 SiB₄ 18,0-21,0

которое дополнительно содержит SiB₄ и ZrO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO₂ 21,0-36,6 В₂О₃ 5,0-6,7 Al₂О₃ 34,0-40,0 ВаО 6,3-7,0 СаО 4,0-5,0 MgO 0,9-2,0 TiO₂ 0,5-0,9 Cr₂O₃ 3,5-5,0 SiB₄ 0,2-0,4 ZrO₂ 5,0-7,0 указанное минеральное комплексное 4,0-5,0 соединение на основе SiO₂  

Авторами установлено, что введение борида кремния и оксида циркония при заявленном соотношении и содержании компонентов жаростойкого покрытия упрочняет структуру покрытия за счет образования боросиликатного стекла, армированного частицами борида кремния и оксида циркония, что повышает его температуроустойчивость, прочность сцепления, термостойкость при температуре эксплуатации 1200°С.

Примеры осуществления

Покрытие получали по шликерно-обжиговой технологии путем размола компонентов в шаровой мельнице в течение 50-52 ч с последующим нанесением полученного шликера на образцы сплава ВЖ171 и обжигом в электропечи при температуре 1200-1220°С.

Составы предлагаемого покрытия №1, 2, 3 и прототипа №4 приведены в таблице 1. Составы минерального комплексного соединения на основе SiO₂ приведены в таблице 2.

Свойства предлагаемого покрытия и покрытия-прототипа приведены в таблице 3.

Анализ результатов свидетельствует о том, что в сравнении с покрытием-прототипом на жаропрочном сплаве при температуре эксплуатации 1200°С у предлагаемого покрытия соответственно повысилась температуроустойчивость в 3 раза, прочность сцепления в 1,2 раза, термостойкость в 1,5 раза.

Применение предлагаемого покрытия обеспечивает работоспособность деталей из жаропрочного сплава при температуре эксплуатации 1200°С, повышение надежности работы деталей с покрытием.

Таблица 1 Составы предлагаемого покрытия и покрытия-прототипа № п/п SiO₂ В₂О₃ Al₂О₃ ВаО СаО MgO TiO₂ Cr₂О₃ Минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ SiB₄ ZrO₂ 1 21,0 6,7 40,0 7,0 5,0 2,0 0,9 5,0 5,0 0,4 7,0 2 36,6 5,0 34,0 6,3 4,0 0,9 0,5 3,5 4,0 0,2 5,0 3 30,3 6,0 36,0 6,5 4,5 1J 0,7 4,0 4,5 0,3 5,5 4
прототип 48,6 6,0 20,0 7,0 5,5 0,9 2,5 4,0 5,5 - -

Таблица №2 Составы минерального комплексного соединения на основе SiO₂ № п/п Компоненты, в масс.% SiO₂ Al₂Оз СаО MgO К₂О Na₂О TiO₂ SO₃ Fe₂О₃ SiB₄ 1 56,25 35,1 1,2 1,1 2,6 0,7 1,8 0,25 1,0 - 2 58,05 34,3 1,0 1,0 2,5 0,6 1,6 0,15 0,8 - 3 57,30 34,65 1Д 1,05 2,55 0,65 1,7 0,20 0,9 - 4 35,25 35,1 1,2 1,1 2,6 0,7 1,8 0,25 1,0 21,0 5 40,05 34,3 1,0 1,0 2,5 0,6 1,6 0,15 0,8 18,0 6 37,30 34,55 1,1 1,05 2,55 0,65 1,7 0,20 0,9 20,0 Таблица №3 Свойства предлагаемого покрытия и покрытия - прототипа № п/п Свойство Предлагаемые составы Прототип 1 2 3 4 1 Температуроустойчивость при 1200°С, ч 110 105 105 35 2 Прочность сцепления, % 93 95 95 80 3 Термостойкость по режиму 1200°С↔20°С, цк 70 75 70 50

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к жаростойким покрытиям для защиты деталей газотурбинных двигателей (камера сгорания, жаровые трубы, газоводы и др.) из жаропрочных сплавов от высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации при температуре 1200°С. Техническим результатом изобретения является создание повышения температуроустойчивости, термостойкости, прочности сцепления покрытия. Жаростойкое покрытие, содержит SiO₂, В₂O₃, Al₂О₃, BaO, CaO, MgO,

TiO₂, Cr₂О₃, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, SiB₄ и ZrO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ - 21,0-36,6; В₂О₃ - 5,0-6,7; Al₂O₃ - 34,0-40,0; BaO - 6,3-7,0; CaO - 4,0-5,0; MgO - 0,9-2,0; TiO₂ - 0,5-0,9;

Cr₂О₃ - 3,5-5,0; SiB₄ - 0,2-0,4; ZrO₂ - 5,0-7,0; минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ - 4,0-5,0. Минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ включает следующие компоненты, мас.%: SiO₂ - 56,25-58,05; Al₂O₃ - 34,3-35,1; CaO - 1,0-1,2; MgO - 1,0-1,1; K₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; TiO₂ - 1,6-1,8; SO₃ - 0,15-0,25; Fe₂О₃ - 0,8-1,0 или SiO₂ - 35,25-40,05; Al₂O₃ - 34,3-35,1; CaO - 1,0-1,2; MgO - 1,0-1,1; K₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; TiO₂ - 1,6-1,8; SO₃ - 0,15-0,25; Fe₂О₃ - 0,8-1,0; SiB₄ - 18,0-21,0. 3 табл.

Жаростойкое покрытие, содержащее SiO₂, В₂O₃, Al₂О₃, BaO, CaO, MgO, TiO₂, Cr₂О₃, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, химического состава, мас.%:
SiO₂ 56,25-58,05 Al₂O₃ 34,3-35,1 СаО 1,0-1,2 MgO 1,0-1,1 K₂O 2,5-2,6 Na₂O 0,6-0,7 TiO₂ 1,6-1,8 SO₃ 0,15-0,25 Fe₂O₃ 0,8-1,0,