СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2011 года по МПК C23C28/00 C23C14/06 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, и в особенности газовых турбин авиадвигателей.

Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические ГТУ и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, относятся рабочие лопатки турбины. Турбинные лопатки работают в достаточно жестких условиях: высокие температуры, агрессивные среды (кислород, сера, окислы ванадия и другие элементы), значительные знакопеременные механические нагрузки и резкие теплосмены. Существующие тенденции совершенствования турбомашин приводят к еще большему - к ужесточению указанных условий эксплуатации и к повышению стоимости деталей. Все это требует применения на лопатках турбин более эффективных защитных покрытий.

Одним из путей повышения температуры в турбине при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП). Керамические ТЗП при их достаточной толщине, могут ощутимо снизить теплоприток к основному материалу охлаждаемой лопатки и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.

Наиболее перспективным материалом для формирования теплозащитного слоя ТЗП является керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO₂·Y₂O₃). Для обеспечения адгезии керамического слоя и защиты основного материала детали от окисления ТЗП имеет жаростойкий подслой.

Известен способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины [Патент РФ №2325467, МПК C23C 4/10. Способ получения создающего термический барьер покрытия. /Я.Вигрен, М.Ханссон./ Вольво аэро корп./. 2008.], включающий предварительную обработку поверхности лопатки и нанесение связующего подслоя, жаростойкого слоя системы MeCrAlY и теплозащитного керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Известен также способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины (Патент США №4,904,542 Многослойное коррозионно-стойкое покрытие), включающий газотермическое нанесение многослойного покрытия, состоящего из чередующихся керамических и металлических слоев. Так же известно многослойное высокотемпературное покрытие, состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящие в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. Материал металлических слоев выбирается исходя из характеристик его стойкости к эрозии. Это ведет к тому, что при наличии перепадов температуры как по толщине, так и по его поверхности в материале металлического слоя возникнут термические напряжения, которые будут переданы керамике, имеющей низкую прочность на растяжение

Наиболее близким по технической сущности является способ формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин, включающий. последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом (патент РФ №2078148). Известный способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины включает также предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония, стабилизированного 7-9 мас.%, оксида иттрия (ZrO₂·7% Y₂O₃) и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиг. В известном способе нанесения теплозащитного покрытия (патент РФ №2078148) как первый так и второй слои являются жаростойкими и вместе образуют подслой под третий теплозащитный керамический слой.

Известен способ подготовки поверхности детали под нанесение многослойного покрытия на металлические изделия методом катодного распыления, включающий ионную очистку и/или модификацию поверхности изделия [Патент РФ №2228387. МПК C23C 14/06. Способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия. Опубл. 2004 г.]. Однако функциональным назначением ионно-имплантационной обработки поверхности в данном случае не является повышение жаростойкости слоя.

Основными недостатками прототипа являются низкая адгезионная прочность на границе подслой - керамический слой, а также недостаточная жаростойкость, выносливость и циклическая прочность деталей с покрытием, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и установок.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение адгезионной прочности на границе подслой - керамический слой при одновременном повышении жаростойкости подслоя, выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин, включающем последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом, в отличие от прототипа, переходный слой наносят из порошка, содержащего от 1 до 99% материала керамического слоя и остальное - сплав, содержащий элементы сплава жаростойкого слоя, причем порошок представляет собой частицы керамического порошка, покрытые оболочкой, состоящей из сплава, содержащего составляющие жаростойкого сплава, при этом переходный слой наносят газотермическим методом с обеспечением керамической составляющей по толщине переходного слоя, плавно изменяющейся от 1% до 99%, а диффузионный отжиг проводят с образованием в начале жидкой легкоплавкой фазы, обеспечивающей смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем тугоплавкого жаростойкого химического соединения, при этом возможны следующие варианты: в качестве составляющих жаростойкого сплава используют химические элементы, образующие алюминидные соединения; в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, масс.%: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; В - от 0,1% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 1,2% до 3,6%; Si - от 3% до 16%; Y - от 1, 0% до 2,1%; Al - остальное; наносят жаростойкий слой из сплава следующего состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия жаростойкий слой наносят шликерным или газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а внешний керамический слой наносят газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9% вес, ZrO₂ - остальное.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

Использование процесса смачивания керамического материала в подслое (подслой может состоять из нескольких слоев, а также включать переходный слой, т.е. подслой должен обеспечивать жаростойкость и адгезионную прочность между подслоем и керамическим внешним слоем) в процессе диффузионного отжига, в результате соединения металлических составляющих переходного слоя из жидкого в кристаллическое состояние позволяет сформировать армирующую фазу переходного слоя, с одной стороны, хорошо сцепленную с нижележащим жаростойким слоем, а с другой - внедренную в керамический слой. В результате этого в переходной зоне подслой - керамический слой формируется анкерное соединение, значительно улучшающее прочность сцепления на границе подслой - керамический слой. В заявляемом способе формируется сложный подслой, включающий в себя жаростойкий слой и сформированный на нем переходный слой. При этом переходный слой состоит частично из сплава, содержащего элементы сплава жаростойкого слоя и частично из материала керамического слоя.

Для оценки стойкости лопаток газовых турбин с теплозащитными покрытиями, полученными по известному и предлагаемому способам, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения покрытий на образцы из никелевых и кобальтовых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000) приведены в таблице 1.

Табл.1 № Группы образцов Ионы, имплантируемые в основу Ионы, имплантируемые в покрытие Жаростойкий слой Переходный слой (составляющие жаростойкого сплава) Дополнительный слой на поверхности лопатки Дополнительный слой на внутреннем слое Прототип - - Co - 20% Cr - 30% Al - 13% Y - 0,6% Ni - ост. Si - 12% Ni - 10% В - 1,6% Al - ост. - - 1 Nb Y+Pt Cr - 18% Al - 3% Y - 0,2% Ni - ост. Si - 4,0% Y - 1,0% Al - ост. Nb, толщ. 0,1 мкм Nb, толщ. 0,1 мкм 2 Yb Y+Cr 3 Yb+Nb Y+Cr Pt, толщ. 0,1 мкм 4 Pt Nb 5 Y Nb Cr - 30%, Al - 16%, Y - 0,65%, Ni - ост. Si-12,0% Y - 2,0% Al - ост. Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм Nb, толщ. 2,0 мкм 6 Y+Pt Yb 7 Y+Cr Yb Nb, толщ. 2,0 мкм Cr, толщ. 0,1 мкм 8 Y+Cr Pt 9 Hf+Nb Y Cr - 22% Al - 11%, Y - 0,5%, Ni - ост. Si - 6,0% Y - 1,5% Al - ост. Pt, толщ. 0,1 мкм Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм 10 La+Nb+Y Cr+Si 11 Yb+Nb Yb+Nb Cr, толщ. 0,1 мкм Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм 12 Si+Cr Hf+Nb 13 Y Y Cr - 24% Al - 8%, Y - 0,4% Ni - ост. Si - 8,0% Y - 1,0% Al - ост. Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм Pt, толщ. 2,0 мкм 14 Pt Nb 15 Cr+Si Pt Pt, толщ. 2,0 мкм Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм 16 Nb Cr+Si 17 La Hf Cr - 26% Al - 10%, Y - 0,3%, Ni - ост. Si - 10% Y - 2,0% Al - ост. Cr, толщ. 2,0 мкм Pt, толщ. 0,1 мкм 18 La La 19 Yb+Nb Yb Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм Cr, толщ. 2,0 мкм 20 Yb Yb 21 Y Y Cr - 34% Al - 8%, Y - 0,4% Ni - ост. Cr - 18% Al - 16% Y - 0,2% Ni - ост Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм Pt, толщ. 2,0 мкм 22 Pt Nb 23 Cr+Si Pt Pt, толщ. 2,0 мкм Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм 24 Nb Cr+Si 25 Hf+Nb Y Cr - 22% Al - 16%, Y - 0,7%, Ni - ост. Cr - 34% Al - 3% Y - 0,7% Ni - ост Pt, толщ. 0,1 мкм Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм 26 La+Nb+Y Cr+Si 27 Yb+Nb Yb+Nb Cr, толщ. 0,1 мкм Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм 28 Si+Cr Hf+Nb 29 Nb Y+Pt Cr - 18% Al - 3% Y - 0,2% Ni - ост. Cr - 34% Al - 3% В - 0,7% Ni - ост Nb, толщ. 0,1 мкм Nb, толщ. 0,1 мкм 30 Yb Y+Cr 31 Yb+Nb Y+Cr Pt, толщ. 0,1 мкм 32 Pt Nb 33 Y Y Cr - 24% Al - 8%, Y - 0,4% Ni - ост. Cr - 18% Al - 16% B - 0,1% Ni - ост Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм Pt, толщ. 2,0 мкм 34 Pt Nb 35 Cr+Si Pt Pt, толщ. 2,0 мкм Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм 36 Nb Cr+Si 37 La Hf Cr - 26% Al - 10%, Y - 0,3%. Ni - ост. Cr - 1,2% Si - 3% Y - 1,0%
Al - ост. Cr,толщ. 2,0 мкм Pt, толщ. 0,1 мкм 38 La La 39 Yb+Nb Yb Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм Cr, толщ. 2,0 мкм 40 Yb Yb 41 La Hf Cr - 26% Al - 10%, Y - 0,3%, Ni - ост. Cr - 3,6% Si - 16% Y - 2,1% Al - ост. Cr,толщ. 2,0 мкм Pt, толщ. 0,1 мкм 42 La La 43 Yb+Nb Yb Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм Cr, толщ. 2,0 мкм 44 Yb Yb

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см². Материал слоев и схема их чередования - согласно таблице 1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу подслой: жаростойкий слой - толщиной 40 мкм и 80 мкм и переходный слой - 80 мкм и 40 мкм; внешний керамический слой от 50 мкм и 200 мкм.

При формировании по предлагаемому способу подслой состоял из: жаростойкого слоя толщиной от 12 до 70 мкм и переходного слоя толщиной от 5 до 30 мкм; толщина внешнего керамического слоя составляла от 50 до 400 мкм. Керамический и переходные слои наносились газотермическим (плазменным) методом, а в качестве наносимого материала использовались: для переходного слоя порошковая смесь, состоящая из материала керамического слоя от 1 до 99% (ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении: Y₂O₃ - 5.% вес, ZrO₂ - остальное; Y₂O₃ - 7.% вес, ZrO₂ - остальное) и составляющих жаростойкого сплава (согласно табл.1) - остальное; керамическая составляющая по толщине переходного слоя плавно изменялась от 1% до 99%. Диффузионный отжиг покрытия с лопаткой производился в вакууме при температуре 1050°С в течение 4 ч.

Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате проведенных испытаний было установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток составляет:

1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 220-235 МПа;

2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 250-285МПа, кобальтовые - 245-270 МПа (таблица 2);

Табл.2 Никелевые сплавы Кобальтовые сплавы № групп. образ Величина σ_-1, МПа № групп. образ Величина σ_-1, МПа № групп. образ Величина σ_-1, МПа № групп. образ Величина σ_-1, МПа 1 260 23 270 1 240 23 250 2 265 24 280 2 250 24 250 3 265 25 260 3 250 25 235 4 270 26 265 4 240 26 250 5 280 27 280 5 250 27 250 6 275 28 270 6 245 28 245 7 260 29 280 7 250 29 250 8 270 30 275 8 250 30 245 9 280 31 260 9 240 31 245 10 275 32 275 10 250 32 250 11 275 33 280 11 245 33 245 12 280 34 270 12 245 34 245 13 270 35 270 13 250 35 245 14 275 36 285 14 250 36 245 15 265 37 270 15 250 37 250 16 280 38 270 16 240 38 250 17 280 39 265 17 250 39 235 18 270 40 260 18 245 40 240 19 265 41 285 19 250 41 250 20 280 42 275 20 240 42 245 21 260 43 260 21 250 43 250 22 265 44 275 22 235 44 240

Изотермическая жаростойкость покрытий оценивалась на образцах диаметром d=10 мм и длиной l=30 мм. Образцы покрытиями помещались в тигли и выдерживались на воздухе при температуре Т=1200°С. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялось путем визуального осмотра через каждые 50 ч испытаний при температуре 1200°С. Взвешивание образцов вместе с окалиной производилось через 500 и 1000 ч испытаний, при этом определялась величина удельного прироста массы образца на единицу его поверхности по сравнению с исходным весом ΔР, г/м². Полученные результаты представлены в таблице 3.

Табл.3 № группы образцов Циклическ. жаростойкий цикл Изотермическая жаростойкость, № группы образцов Циклическ. жаростойкий цикл Изотермическая жаростойкость, τ, ч ΔР, г/м² τ, ч ΔР, г/м² 500 ч 1000 ч 500 ч 1000 ч Прототип 550 350 7,4 13,1 23 800 700 6,3 10,1 1 700 700 6,1 9,4 24 900 850 4,4 8,8 2 700 600 5,8 10,8 25 850 700 5,9 9,1 3 800 600 6,3 10,2 26 900 800 3,6 7,9 4 800 750 4,4 9,8 27 950 850 3,4 7,8 5 850 700 5,9 9,2 28 700 650 6,2 9,9 6 800 750 3,6 7,7 29 900 850 4,1 8,7 7 950 850 3,4 7,9 30 800 700 5,7 10,2 8 800 600 6,2 9,8 31 900 850 4,5 8,8 9 900 850 4,1 8,5 32 750 650 5,6 9,7 10 850 750 5,7 10,1 33 750 600 5,8 10,1 11 900 800 4,5 9,6 34 900 800 4,3 9,9 12 750 650 5,6 9,8 35 850 750 4,9 9,4 13 700 600 5,8 9,1 36 900 850 4,4 8,8 14 950 700 4,3 9,9 37 800 750 5,1 8,9 15 850 750 4,9 9,4 38 800 650 5,4 8,7 16 900 850 4,4 8,5 39 850 700 5,3 9,3 17 800 700 5,1 8,9 40 800 700 5,7 9,9 18 850 650 5,4 8,7 41 800 700 5,1 8,9 19 700 800 5,3 9,3 42 800 650 5,4 8.7 20 800 700 5,7 9,3 43 850 750 5,3 9,3 21 750 650 6,1 10,5 44 800 700 5,7 9,9 22 800 600 5,8 9,9          

Стойкость покрытий к теплосменам оценивалось по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл термосмены представлял собой нагрев образца до 1150°С, температурную выдержку в течение 15 мин и охлаждение в воде до температуры 20°С. После каждого цикла теплосмены по наличию отслоений оценивалось стойкость покрытия. Данные по сравнительным испытаниям на термостойкость показали, что в среднем количество теплосмен до разрушения у покрытия-прототипа составило 36 циклов, а у покрытий, нанесенных по предлагаемому способу - от 51 до 93 циклов.

Кроме того, в результате проведенных испытаний было также установлено, что по сравнению с прототипом площадь отслоений керамического слоя после высокотемпературных испытаний образцов, а также в процессе усталостных испытаний уменьшилась в среднем от 5,5 до 8,1 раза для никелевых и от 4,3 до 7,7 раз для кобальтовых сплавов, что указывает на повышение адгезионной прочности покрытия на границе подслой - керамический слой.

Повышение стойкости покрытий к теплосменам, жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3) указывают на то, что при применении следующих вариантов формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин: последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом; переходный слой наносят из порошка, содержащего от 1 до 99% материала керамического слоя и остальное - сплав, содержащий элементы сплава жаростойкого слоя, причем порошок представляет собой частицы керамического порошка, покрытые оболочкой, состоящей из сплава, содержащего составляющие жаростойкого сплава; переходный слой наносят газотермическим методом с обеспечением керамической составляющей по толщине переходного слоя, плавно изменяющейся от 1% до 99%; диффузионный отжиг проводят с образованием в начале жидкой легкоплавкой фазы, обеспечивающей смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем тугоплавкого жаростойкого химического соединения; в качестве составляющих жаростойкого сплава используют химические элементы, образующие алюминидные соединения; в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, масс.%: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; B - от 0, 1% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 1,2% до 3,6%; Si - от 3% до 16%; Y - от 1, 0% до 2,1%; Al - остальное; наносят жаростойкий слой из сплава следующего состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное; жаростойкий слой наносят шликерным или газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а внешний керамический слой наносят газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см²; в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9% вес, ZrO₂ - остальное; перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см²; толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм, и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм, достигается технический результат заявляемого изобретения - повышается адгезионная прочность на границе подслой - керамический слой при одновременном повышении жаростойкости подслоя, выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин и в особенности газовых турбин авиадвигателей. Способ включает формирование подслоя путем последовательного нанесения жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом. При этом в качестве состава переходного слоя используется смесь материала керамического слоя и составляющих жаростойкого сплава, образующих при диффузионном отжиге в начале жидкую легкоплавкую фазу, обеспечивающую смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем образующих тугоплавкое жаростойкое химическое соединение. Переходный и теплозащитные слои наносятся газотермическим методом, а в качестве наносимого материала для переходного слоя используется порошковая смесь, состоящая из материала керамического слоя от 1 до 99%; составляющих жаростойкого сплава - остальное, а для теплозащитного слоя - ZrO₂-Y₂O₃. Перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см². 21 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин, включающий последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом, отличающийся тем, что переходный слой наносят из порошка, содержащего от 1 до 99% материала керамического слоя и остальное - сплав, содержащий элементы сплава жаростойкого слоя, причем порошок представляет собой частицы керамического порошка, покрытые оболочкой, состоящей из сплава, содержащего составляющие жаростойкого сплава, при этом переходный слой наносят газотермическим методом с обеспечением керамической составляющей по толщине переходного слоя плавно изменяющейся от 1 до 99%, а диффузионный отжиг проводят с образованием вначале жидкой легкоплавкой фазы, обеспечивающей смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем - тугоплавкого жаростойкого химического соединения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве составляющих жаростойкого сплава используют химические элементы, образующие алюминидные соединения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Si - от 4,0 до 12, %; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; B - от 0,1 до 0,7%; Ni - остальное.

6. Способ по п,2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Cr - от 1,2 до 3,6%; Si - от 3 до 16%; Y - от 1,0 до 2,1%; Al - остальное.

7. Способ по любому из пп.1 и 3-6, отличающийся тем, что наносят жаростойкий слой из сплава следующего состава: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное, или из сплава состава: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что жаростойкий слой наносят шликерным или газотермическим, или вакуумными ионно-плазменными методами, или магнетронными методами, или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а внешний керамический слой наносят газотермическим, или вакуумными ионно-плазменными методами, или магнетронными методами, или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

9. Способ по любому из пп.1, 3-6 и 8, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

13. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃, в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

16. Способ по любому из пп.1, 3-6, 8, 10, 11 и 13-15, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

17. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

18. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

19. Способ по любому из пп.1, 3-6, 8, 10-11, 13-15 и 17-18, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

20. Способ по п.2, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

21. Способ по п.7, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

22. Способ по п.9, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм, и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.