ШНУРОВОЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК B23K35/02 C23C4/04 

Изобретение относится к материалам для нанесения уплотнительного прирабатываемого покрытия на детали газотурбинных двигателей для повышения их КПД, в частности методом газопламенного напыления.

Известна порошковая проволока, состоящая из оболочки и металлической гранулированной шихты, причем оболочка выполнена из полиформальдегида при следующем соотношении компонентов (мас.%): металлическая гранулированная шихта - 94,0-99,5; оболочка из полиформальдегида - остальное, причем в качестве гранул используются предварительно сплавленные в сферические зерна нужного состава: сормайт, колманой и др. (А.с. СССР №464425, В23К 35/36, БИ №11 за 1975 г.) - аналог.

Известное решение имеет ряд недостатков, а именно использование гранулированной металлической шихты, полученной путем сплавления компонентов в крупные сферические зерна, не обеспечивает при ее использовании высоких прочностных характеристик при соединении деталей.

Известен композиционный электрод, представляющий собой проволоку в виде гибкого шнура с оболочкой из алюминия, внутри которой находится спеченный порошок, частицы которого представляют собой алюминиевое ядро, окруженное никелевой оболочкой (патент США №3322515, НКИ 29-191.2, 1967) - прототип.

Недостатком известного решения является то, что при его напылении образуется неравномерное по составу покрытие, содержащее значительное количество окислов с пониженной прочностью сцепления (адгезией) с основой.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение стойкости к эрозионному износу покрытия во время эксплуатации деталей газотурбинного двигателя путем обеспечения его когезионной и адгезионной прочности не менее 3,0 МПа, снижения пористости покрытия при одновременном обеспечении способности к истираемости и стойкости к окислению при температуре 700°С во время эксплуатации деталей газотурбинного двигателя, например корпусов компрессоров.

Указанный технический результат достигается тем, что в шнуровом материале для газопламенного напыления, содержащем изготовленную из органического материала оболочку и сердечник, сердечник состоит из (мас.%):

гранулированный технологический наполнитель - 88-92%, органическое связующее - 8-12%,

причем гранулированный технологический наполнитель содержит (мас.%):

графит - 2,5-4,5 гексагональный нитрид бора - 10,0-16,0 оксид кадмия - 2,0-4,0 оксид меди - 11,0-14,0 никель - остальное.

Для изготовления гранулированного технологического наполнителя все исходные компоненты в заданных количествах перемешиваются между собой и с жидким натриевым стеклом (ГОСТ 13078-81), гранулируются, сушатся и просеиваются на ситах, после чего заполняют готовым гранулированным технологическим наполнителем оболочку из органического материала.

Опыт эксплуатации деталей с покрытиями, полученными с использованием гибких шнуровых материалов, нанесенных методом газопламенного напыления, показал, что качество данных покрытий значительно превосходит качество газопламенных покрытий, получаемых распылением порошков или стержней. Прочность и эластичность гибких шнуровых материалов позволяет пользоваться ими так же как и проволокой и наносить покрытия с помощью газопламенных аппаратов проволочного типа. В то же время метод газопламенного напыления отличается высокой экономичностью, простотой и надежностью оборудования для нанесения покрытий, что позволяет использовать его там, где требуется соблюдение непрерывности и стабильности технологического процесса, в том числе и для таких крупногабаритных деталей как корпуса статоров газотурбинных двигателей.

Разработанный заявителем гибкий шнуровой материал для газопламенного напыления с заявляемым составом содержит оболочку, изготовленную из органического материала, например из деионизированного водного раствора на основе оксиэтилметилцеллюлозы, причем толщина оболочки шнурового материала оптимально должна составлять 0,2±0,08 мм.

Сердечник готового гибкого шнурового материала оптимально содержит (мас.%): гранулированный технологический наполнитель - 88-92% и органическое связующее, например, из деионизированного спиртового раствора на основе оксиэтилпропилметилцеллюлозы - 8-12%. Раствор оксиэтилпропилметилцеллюлозы обладает высоким клеящим эффектом.

Если сердечник содержит связующее менее 8%, то при экструзии шнура из пасты не происходит связывания (склеивания) гранул технологического наполнителя в шнуре в достаточной степени, что приводит к выгоранию графита и улетучиванию нитрида бора в процессе напыления шнура, а если больше 12%, то из-за высокой жидкотекучести пасты невозможно получить геометрически ровный шнур (образуются утонения). Сушка шнура сопровождается большой усадкой сердечника, что приводит к растрескиванию оболочки. Шнур плохо распыляется, снижается эффективность напыления.

Гранулированный технологический наполнитель содержит (мас.%): графит (С) - 2,5-4,5; гексагональный нитрид бора (BN) - 10,0-16,0; оксид кадмия (CdO) - 2,0-4,0; оксид меди (CuO) - 11,0-14,0; никель (Ni) - остальное.

Гексагональный нитрид бора является высокотемпературной твердой смазкой. Наличие нитрида бора в составе гранулированного технологического наполнителя позволяет повысить термическую стойкость покрытия и снизить коэффициент трения при скольжении рабочих лопаток по покрытию в компрессоре, улучшая прирабатываемость покрытия и снижая наволакивание (налипание) покрытия на лопатки.

При содержании в составе гранулированного технологического наполнителя нитрида бора более 16% формируется рыхлое покрытие с низкой эрозионной стойкостью в газовом потоке, а содержание гексагонального нитрида бора менее 10% является нецелесообразным, поскольку с учетом потерь его при напылении не оказывает заметного влияния на улучшение антифрикционных свойств покрытия.

Наличие добавок С, ВN, CdO и CuO обуславливает получение покрытия с необходимой прочностью и эрозионной стойкостью в сочетании с пористой структурой матрицы, невысокой твердостью (НВ=8-12 кгс/мм² по Бринеллю) и способностью покрытия к истираемости и стойкости к окислению в компрессоре ГТД при температуре порядка 700°С.

Если содержание добавок С, ВN, CdO и CuO менее указанных выше значений (мас.%), то покрытие получается с очень плотной и твердой матрицей и имеет большую склонность к растрескиванию и сколам.

Если содержание добавок С, BN, CdO и CuO более указанных выше значений (мас.%), то покрытие получается с очень рыхлой и мягкой матрицей и имеет неудовлетворительную прочность сцепления с подложкой и низкую эрозионную стойкость.

Таким образом, заявляемый технический результат достигается при использовании шнурового материала для газопламенного напыления только в заявляемом интервале компонентов.

Благодаря конструкции и составу заявляемого шнурового материала для газопламенного напыления, состоящего из органического связующего, гранулированного технологического порошкового наполнителя и присутствию в их составе в заявляемом количестве компонентов, обеспечивающих необходимую структуру и свойства покрытия и синтезирование новых фаз в процессе напыления, достигаются высокие значения адгезионной и когезионной прочности, а также коэффициента использования напыляемого материала.

Стабильная подача шнурового материала в зону газового потока строго по оси струи газового факела, выбор состава компонентов, составляющих шнуровой материал, и размера напыляемых частиц полностью гарантирует расплавление всех составляющих гранулированного технологического наполнителя и обеспечение заявляемого технического результата.

Возможно использование газопламенного шнурового напыления при напылении с до- и сверхзвуковыми скоростями нанесения напыляемых частиц. Сверхзвуковое высокоскоростное напыление является наиболее перспективным, так как позволяет получать покрытия с характеристиками недостижимыми при традиционных способах напыления. Преимущества процесса газопламенного напыления с использованием гибких шнуровых материалов определяются высокой скоростью полета частиц и высоким качеством покрытия.

Пример конкретного выполнения

Напыление на внутреннюю поверхность корпуса компрессора авиационного газотурбинного двигателя с использованием заявляемого гибкого шнурового материала и горелки для шнурового напыления ТОПЖЕТ/2 осуществлялось по следующей технологии. Состав гибкого шнурового материал (мас.%): гранулированный технологический наполнитель - 90%, органическое связующее - 10%.

В качестве органического связующего использовали оксиэтилпропилметилцеллюлозу и использовали гранулированный технологический наполнитель, содержащий (мас.%): графит - 3,5; гексагональный нитрид бора - 15,0; оксид кадмия - 3,0; оксид меди - 12,0; никель - 66,5.

Поверхность детали под напыление обезжиривалась и опескоструивалась электрокорундом зернистостью 500-800 мкм. Деталь устанавливалась и закреплялась на вращателе в камере с вытяжной вентиляцией. Затем наносилось покрытие из шнурового материала толщиной 2,5-3,0 мм. В качестве горючего газа использовался - ацетилен. Затем покрытие прошло токарную обработку для получения чертежных размеров. При этом толщина слоя покрытия составила 0,8-1,2 мм. Визуальный контроль покрытия показал отсутствие дефектов в виде трещин, рыхлот, отслоений и сколов в покрытии.

Проведенные металлографические исследования показали наличие плотной структуры с единичной пористостью покрытия и с отсутствием дефектов в виде трещин и расслоений.

Механические испытания показали высокую когезионную и адгезионную прочность: прочность сцепления - 2,8-4,1 МПа (испытание по клеевому методу), твердость покрытия - 9,28-10,6 НВ (по Бринеллю, ГОСТ 9012, при испытании плоского образца с покрытием толщиной 8 мм путем вдавливания шарика диаметром 10 мм при нагрузке 250 кгс и длительности нагружения 20 с).

Химический анализ покрытия, полученного напылением из данного шнурового материала, показал, что его состав находится в пределах допуска для этого покрытия.

Испытание покрытия на эрозионную стойкость, основанное на методике измерения потери массы материала при обдувании его потоком твердых абразивных частиц (условия испытания: давление воздуха - 0,49 МПа, угол атаки - 30°, зернистость электрокорунда - 100 мкм, объем электрокорунда - 5 см³), показало, что удельная абразивная стойкость составляет 550-700 ед., что находится в пределах, характерных для этого материала.

Испытание покрытия на врезание (истираемость), основанное на методике измерения износа при контактном взаимодействии образцов с уплотнительным покрытием и материалом лопатки при из сближении на заданную величину с заданной скоростью (скорость вращения - 6000 об/мин (20 м/с), скорость сближения - 0,069 мм/с, длительность врезания - 14 с, материал контртела (лопатки) - сплав ХН78ТЮР), показало следующие результаты: максимальная глубина канавки в покрытии - 0,6-0,95 мм, износ по контртелу (лопатке) - 0,15-0,3 мм, т.е. соотношение износов составило 3,2:1-4:1, что находится в пределах соответствующих таким материалам. Реально известные серийные уплотнительные материалы, такие как «АНБ», «20Б», имеют соотношение износов 2:1-4:1.

Испытания на термостойкость (условия испытания: нагрев ↔ охлаждение - 700↔20°С). Результат - покрытие выдержало 100 циклов испытаний без разрушения.

Изобретение может быть использовано для нанесения уплотнительного прирабатываемого покрытия на детали газотурбинных двигателей для повышения их КПД, в частности методом газопламенного напыления. Шнуровой материал состоит из изготовленной из органического материала оболочки и сердечника, содержащего, мас.%: гранулированный технологический наполнитель 88-92, органическое связующее 8-12. Гранулированный технологический наполнитель содержит, мас.%: графит 2,5-4,5, гексагональный нитрид бора 10,0-16,0, оксид кадмия 2,0-4,0, оксид меди 11,0-14,0, никель - остальное. Техническим результатом является повышение стойкости к эрозионному износу покрытия во время эксплуатации деталей газотурбинного двигателя путем обеспечения его когезионной и адгезионной прочности не менее 3,0 МПа, снижения пористости покрытия при одновременном обеспечении способности к истираемости и стойкости к окислению при температуре 700°С во время эксплуатации деталей газотурбинного двигателя, например корпусов компрессоров.

Шнуровой материал для газопламенного напыления, включающий изготовленную из органического материала оболочку и сердечник, содержащий, мас.%:
гранулированный технологический наполнитель 88-92 органическое связующее 8-12