СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2012 года по МПК C23C30/00 C23C14/06 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, 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, являются 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 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·Y₂О₃). 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 С23С 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.

Кроме того, известен 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. Также известно многослойное высокотемпературное покрытие, состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящая 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.

Известен также способ получения теплозащитного покрытия, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий подготовку поверхности лопатки, формирование подслоя, путем нанесения жаростойкого слоя и переходного слоя, нанесение на переходный слой внешнего керамического слоя на основе ZrO₂ стабилизированного Y₂O₃ (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.

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 С23С 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.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения армированного теплозащитного покрытия, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий нанесение подслоя и формирование на подслое армированного керамического слоя (А.Хасуй. Техника напыления. М.: Машиностроение, 1975. Патент США №6610420// МПК В32В 015/04; F03B 003/12//Thermal Barrier coating system of a turbine engine component /2003).

Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость подслоя и недостаточно высокие эксплуатационные свойства керамического слоя, сложность получения армирующей составляющей в керамическом слое и как следствие этого - высокая трудоемкость процесса формирования покрытия, а также недостаточная 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 эксплуатационных свойств теплозащитного покрытия, снижение трудоемкости изготовления при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Технический результат достигается тем, что в способе получения металлокерамического теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающем нанесение жаростойкого подслоя и формирование армированного керамического слоя, в отличие от прототипа армированный керамический слой формируют поэтапно, в следующей последовательности:

- наносят дискретный слой из керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности жаростойкого подслоя;

- наносят, по крайней мере, один сплошной металлический слой из жаростойкого материала толщиной от 1 мкм до 12 мкм;

- наносят внешний сплошной керамический слой.

Технический результат достигается тем, что в способе получения металлокерамического теплозащитного покрытия дискретный слой формируют: либо из круглых островковых участков диаметром d_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, равной (0,1…1,5) d_уч, либо из овальных островковых участков длиной l_уч от 0,5 мм до 10 мм и шириной b_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, соответственно, равной от (0,1…1,5) d_уч или (0,1…1,5) b_уч, причем круглые или овальные островковые участки наносят с шахматным и/или коридорным расположением на поверхности жаростойкого подслоя; либо дискретный слой формируют из островковых участков в виде сот размерами сторон а_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, равной (0,1…1,5) а_уч.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения металлокерамического теплозащитного покрытия в качестве материала дискретного керамического слоя и материала внешнего керамического слоя используют ZrO₂ - Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное; армированный керамический слой наносят толщиной от 20 мкм до 400 мкм, а входящий в его состав дискретный керамический слой наносят толщиной от 10% до 95% от общей толщины армированного керамического слоя, при нанесении жаростойкого подслоя толщиной от 12 мкм до 70 мкм; перед нанесением подслоя производят ионно-плазменную очистку поверхности с последующей ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки, причем обработку производят ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения металлокерамического теплозащитного покрытия для нанесения жаростойкого подслоя используют: либо сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или 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, причем на сплошной металлический слой из жаростойкого материала дополнительно наносят слои одного или нескольких металлов из Nb, Pt, Cr толщиной от 0,8-6,0 мкм и/или высокотемпературный припой на основе одного или нескольких металлов Ni, Со, Nb толщиной от 8-12 мкм; при нанесении жаростойкого подслоя и сплошного металлического слоя из жаростойкого материала проводят периодическую имплантацию ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si до образования микро- или нано-слоя с формированием от 3 до 1500 микрослоев; либо в качестве жаростойкого сплава используют сплав состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное; а при нанесении жаростойкого подслоя и сплошного металлического слоя из жаростойкого материала проводят периодическую имплантацию ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si до образования микро- или нано-слоя с формированием от 3 до 1500 микрослоев.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения металлокерамического теплозащитного покрытия: перед нанесением жаростойкого подслоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слои одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной от 0,8-12,0 мкм; на сплошной металлический слой из жаростойкого материала дополнительно наносят слои одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной от 0,8-6,0 мкм и/или высокотемпературный припой на основе одного или нескольких металлов Ni, Со, Nb толщиной от 8 - 12 мкм; при формировании подслоя, перед нанесением дискретного слоя из керамического материала дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, Si или их сплавов толщиной 1,5-12 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения металлокерамического теплозащитного покрытия в качестве материала сплошного металлического слоя используют один из металлов Nb, Pt, Hf, Сr, либо их сочетание, либо сплав состава: Сr - от 18% до 34%; Al - от % до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Сr - 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 получения металлокерамического теплозащитного покрытия нанесение слоев армированного теплозащитного покрытия осуществляют газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения покрытия производят его диффузионный отжиг.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения металлокерамического теплозащитного покрытия 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 за счет увеличения площади сцепления внешнего керамического слоя с металлическим жаростойким слоем, а также созданием регулярного островкового микрорельефа на границе «металл-керамика», повышающего долю механического сцепления (от общей величины прочности сцепления) на этой границе. Кроме того, в условиях эксплуатации действующие на этой границе механические напряжения возрастают в процессе возникновения и развития оксидного слоя, что приводит к повышению доли механического сцепления как за счет снижения адгезионной составляющей, так и за счет сжатия островковых зон в тангенциальном направлении (в частности, из-за увеличения объемов в зазорах между островковыми зонами).

Способ осуществляется следующим образом. Поверхность пера лопатки подготавливают к нанесению покрытия и в соответствии с выбранным методом наносят жаростойкий подслой толщиной от 12 мкм до 70 мкм. Перед нанесением подслоя, при использовании вакуумных методов нанесения материалов, проводят ионно-плазменную очистку поверхности и последующую ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием. В качестве материала для нанесения жаростойкого подслоя используют: либо сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или 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, причем нанесение жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нано-слоя, разделяющего жаростойкий слой на микрослои, формируя от 3 до 1500 микрослоев; либо в качестве жаростойкого сплава используют сплав состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное; а нанесение жаростойкого подслоя чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нано-слоя, разделяющего жаростойкий подслой на микрослои, формируя от 3 до 1500 микрослоев. Ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см². На образованный подслой наносят дискретный слой керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя. При этом дискретный слой формируют: либо из круглых островковых участков диаметром d_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, равной (0,1…1,5) d_уч, либо из овальных островковых участков длиной l_уч от 0,5 мм до 10 мм и шириной b_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, соответственно равной от (0,1…1,5) d_уч или (0,1…1,5) b_уч, причем круглые или овальные островковые участки наносят с шахматным и/или коридорным расположением на поверхности жаростойкого подслоя; либо дискретный слой формируют из островковых участков в виде сот размерами сторон а_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, равной (0,1…1,5) а_уч. Нанесение островкового дискретного слоя производят, например, через наложенную на покрываемую поверхность маску с перфорациями, соответствующими рисунку формируемых островков. Перед нанесением подслоя на поверхность лопатки можно дополнительно наносить слои из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,8 мкм до 12,0 мкм. На керамический дискретный слой и открытые участки подслоя выбранным методом наносят, по крайней мере, один сплошной металлический слой из жаростойкого материала толщиной от 1 мкм до 12 мкм. В качестве материала сплошного металлического слоя используют один из металлов Nb, Pt, Hf, Cr, либо их сочетание, либо сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или 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, либо их сочетание. Нанесение сплошного металлического слоя из жаростойкого материала можно чередовать с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нано-слоя, разделяющего жаростойкий подслой на микрослои, формируя от 3 до 1500 микрослоев. Ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см². На поверхность подслоя наносят внешний сплошной керамический слой. При этом в качестве материала дискретного керамического слоя и материала внешнего керамического слоя используют ZrO₂ - Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Армированный керамический слой наносят толщиной от 20 мкм до 400 мкм, а входящий в его состав дискретный керамический слой наносят толщиной от 10% до 95% от общей толщины армированного керамического слоя. С целью повышения жаростойкости металлических слоев могут наноситься дополнительные слои из устойчивых к окислению металлов. После нанесения покрытия, при необходимости, проводят его диффузионный отжиг.

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.

Дискретный слой керамического материала наносился в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя. При этом для охвата всего диапазона указанных площадей использовались экраны с изменением площади экранирования по протяженности от 2% до 96%. Это позволило сформировать и исследовать армированное керамическое покрытие в диапазоне площадей островковых керамических участков от 2% до 98%. Испытания на термоциклирование, имитирующее условие эксплуатации ГТД, показало, что наиболее оптимальной конструкцией покрытия является покрытие, сформированное при площади островковых участков дискретного керамического слоя от 2% до 98% (или от 4% до 98% открытых, междуостровковых участков) от общей поверхности формируемого покрытия. В качестве дискретного слоя керамического материала и внешнего керамического слоя использовали ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Внешний керамический слой покрытия-прототипа толщиной от 20 мкм до 350 мкм также формировался из ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5...9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Толщина армированного керамического слоя составляла от 20 мкм до 350 мкм. В качестве материалов сплошного металлического жаростойкого слоя были исследованы варианты в виде одного из металлов Nb, Pt, Hf, Сr и их сочетания (10% Nb+15% Hf+75Cr; 10% Nb+90%Cr; 10% Nb+15% Pt+75Cr; 10% Nb+15% Hf+10% Pt+65Cr; 10% Pt+90%Cr), а также варианты сплавов состава: Сr - от 18% до 34% (14% - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 18%; 26%; 34%; 38% - (Н.Р.)); Al - от 3% до 16% (2% - (Н.Р.); 3%; 6%; 12%; 16%; 18% - (Н.Р.)); Y - от 0,2% до 0,7% (0, 1% - (Н.Р.); 0,2%; 0,4%; 0,7%; 0, 8% - (Н.Р.)); Ni -остальное, и составов: Сr - от 18% до 34% (14% - (Н.Р.); 18%; 26%; 34%; 38% - (Н.Р.)); Al - от 3% до 16% (2% - (Н.Р.); 3%; 6%; 12%; 16%; 18% -(Н.Р.)); Y - от 0,2% до 0,7% (0, 1% - (Н.Р.); 0,2%; 0,4%; 0,7%; 0,8% - (Н.Р.)); Со - от 16% до 30% (14% - (Н.Р.); 16%; 24%; 30%; 32% - (Н.Р.); Ni - остальное, и их сочетания; Si - от 4,0% до 12, 0% (3,0% - (Н.Р.); 4,0%; 8,0%; 12,0%; 14,0% - (Н.Р.)); Y - от 1,0 до 2,0% (0,8% - (Н.Р.); 1,0%; 1,6%; 2,0%; 2,2% - (Н.Р.)); Al - остальное. При этом количество сплошных металлических слоев из жаростойких материалов бралось от 1 до 26 с общей толщиной от 1 мкм до 12 мкм (1 мкм; 2 мкм; 4 мкм; 8 мкм; 12 мкм).

Дискретный керамический слой формировали в виде: либо из круглых островковых участков диаметром d_уч от 0,02 мм до 5 мм (0,01 мм; 0,02 мм; 0,4 мм; 0,8 мм; 1,2 мм; 2,4 мм; 3,6 мм; 5 мм; 6 мм) и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, соответственно равной (0,1…1,5) d_уч, либо из овальных островковых участков длиной l_уч от 0,5 мм до 10 мм (0,01 мм; 0,02 мм; 0,4 мм; 0,8 мм; 1,2 мм; 2,4 мм; 3,6 мм; 5 мм; 8 мм; 10 мм; 12 мм) и шириной b_уч от 0,02 мм до 5 мм (0,01 мм; 0,02 мм; 0,4 мм; 0,8 мм; 1,2 мм; 2,4 мм; 3,6 мм; 5 мм; 6 мм) и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, соответственно равной от (0,1…1,5) d_уч или (0,1…1,5) b_уч; круглые или овальные островковые участки наносили с шахматным, коридорным и комбинированным (комбинации шахматного с коридорным) расположением на поверхности жаростойкого подслоя; дискретный слой формировали также из островковых участков в виде сот размерами сторон а_уч от 0,02 мм до 5 мм (0,01 мм; 0,02 мм; 0,4 мм; 0,8 мм; 1,2 мм; 2,4 мм; 3,6 мм; 5 мм; 6 мм) и величиной зазора между ними, равной (0,1… 1,5) а_уч.

Армированный керамический слой наносили в диапазоне толщин от 20 мкм до 400 мкм (10 мкм; 20 мкм; 40 мкм; 80 мкм; 160 мкм; 300 мкм; 400 мкм; 450 мкм); толщина входящего в его состав дискретного керамического слоя наносилась в диапазоне от 10% до 95% от общей толщины армированного керамического слоя (10%; 20%; 40%; 60%; 80%; 95%; 100%). Толщина жаростойкого подслоя бралась в диапазоне от 12 мкм до 70 мкм (10 мкм; 12 мкм; 40 мкм; 70 мкм; 80 мкм); перед нанесением подслоя проводили ионно-плазменную очистку поверхности с последующей ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием.

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 (диффузионный отжиг в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч). Материал слоев и схема их чередования - согласно таблице 1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу - толщиной от 10 мкм до 70 мкм (10 мкм; 40 мкм; 70 мкм). При формировании по предлагаемому способу толщина жаростойкого слоя составляла от 10 мкм до 70 мкм (10 мкм; 40 мкм; 70 мкм), а количество микро- или нанослоев - от 3 до 1500. Нанесение слоев армированного теплозащитного покрытия проводили газотермическим (плазменным) методом, а также вакуумными методами: ионно-плазменными, магнетронным, электронно-лучевым.

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

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

2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 275-295 МПа, кобальтовые - 255-275МПа (таблица 2).

Таблица 2 № группы образцов Никелевые сплавы, МПа Кобальтовые сплавы, МПа 1 2 3 1 275-295 255-275 2 270-280 250-270 3 280-300 245-275 4 265-300 245-275 5 275-295 250-270 6 280-300 240-265 7 260-280 250-270 8 270-285 245-265 9 270-280 250-270 10 275-285 250-280 11 270-290 245-275 12 280-300 245-270 13 275-295 250-270 14 270-290 250-265 15 265-285 250-270 16 270-280 240-270 17 275-295 250-275 18 270-280 250-275 19 275-295 250-270 20 280-300 250-275

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 определялись путем визуального осмотра через каждые 50 часов 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 АР, г/м². Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 № группы образцов Циклическая жаростойкость, цикл. Изотермическая жаростойкость, τ, ч ΔР, г/м² 500 ч 1000 ч 1 2 3 4 5 0 550 350 7,2 13,3 1 800 700 6,2 10,6 2 750 650 6,8 10,1 3 800 700 6.4 10,8 4 950 750 5,6 8,1 5 800 600 5,7 9,4 6 900 800 4,3 7,8 7 950 800 3,7 7,6 8 750 600 6.6 9,5 9 950 850 4,7 8.8 10 850 700 5,2 10,4 11 950 800 4,6 9,1 12 850 650 5,2 9,5 13 750 550 8,8 10,6 14 900 750 6,1 9.7 15 800 700 7,9 10,6 16 900 800 4,8 8,9 17 850 700 5,5 8,6 18 850 750 5,1 8,9 19 850 600 5,9 9,2 20 850 700 5,5 10,4

Стойкость покрытий к теплосменам оценивалось по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл теплосмены 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 полного разрушения у покрытия-прототипа составило 14 циклов, а у покрытий, нанесенных по предлагаемому способу, - от 38 до 56 циклов.

Повышение стойкости к теплосменам, жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3), указывает на то, что при применении следующих вариантов получения металлокерамического теплозащитного покрытия: нанесение подслоя и формирование на подслое армированного керамического слоя, при формировании армированного керамического слоя поэтапно, в следующей последовательности:

- нанесение дискретного слоя керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя;

- нанесение, по крайней мере, одного сплошного металлического слоя из жаростойкого материала толщиной от 1 мкм до 12 мкм;

- нанесение внешнего сплошного керамического слоя,

а также при применении следующих вариантов формирования покрытия:

формирование дискретного слоя: из круглых островковых участков диаметром d_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, равной (0,1…1,5) d_уч, с шахматным и/или коридорным расположением на поверхности жаростойкого подслоя; из овальных островковых участков длиной l_уч от 0,5 мм до 10 мм и шириной b_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, равной от (0,1…1,5) b_уч, с шахматным и/или коридорным расположением на поверхности жаростойкого подслоя; из островковых участков в виде сот размерами сторон а_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, равной (0,1…1,5) а_уч; использование в качестве материала дискретного керамического слоя и материала внешнего керамического слоя ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное; нанесение армированного керамического слоя толщиной от 20 мкм до 400 мкм, а входящий в его состав дискретного керамического слоя толщиной от 10% до 95% от общей толщины армированного керамического слоя, при нанесении жаростойкого подслоя толщиной от 12 мкм до 70 мкм;

проведение перед нанесением подслоя ионно-плазменной очистки поверхности с последующей ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si; использование в качестве материала жаростойкого подслоя сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Сr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное; при нанесении жаростойкого подслоя и сплошного металлического слоя из жаростойкого материала проведение периодической имплантации ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si до образования микро- или нано-слоя с формированием от 3 до 1500 микрослоев; использование в качестве материала жаростойкого подслоя сплав состава: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное; нанесение на поверхность лопатки дополнительно одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной от 0,8 мкм до 12,0 мкм перед нанесением жаростойкого подслоя; дополнительное нанесение на сплошной металлический слой из жаростойкого материала слоев одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной от 0,8 мкм до 6,0 мкм и/или высокотемпературного припоя на основе одного или нескольких металлов Ni, Со, Nb толщиной от 8-12 мкм; дополнительное нанесение при формировании подслоя, перед нанесением дискретного слоя из керамического материала, переходного слоя в виде слоев из одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, Si, или их сплавов толщиной 1,5-12 мкм; при формировании подслоя, перед нанесением дискретного слоя керамического материала, дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, Si или их сплавов толщиной 1,5-12 мкм; использование в качестве материала сплошного металлического слоя одного из металлов Nb, Pt, Hf, Cr, либо их сочетания, либо сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или 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; нанесение слоев армированного теплозащитного покрытия газо-термическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; проведение после нанесения покрытия его диффузионного отжига; проведение ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см² - позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышения эксплуатационных свойств теплозащитного покрытия, снижения трудоемкости, при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, в особенности газовых турбин авиадвигателей. На рабочие лопатки турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок наносят жаростойкий подслой, затем формируют армированный керамический слой. При этом армированный керамический слой формируют поэтапно в следующей последовательности: дискретный слой керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя, по крайней мере один сплошной металлический слой из жаростойкого материала толщиной от 1 мкм до 12 мкм и внешний сплошной керамический слой. Дискретный слой формируют из круглых, овальных или сотовых островковых участков размерами от 0,02 мм до 5 мм. В качестве материала дискретного керамического слоя и материала внешнего керамического слоя используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5-9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Обеспечивается повышение эксплуатационных свойств защитного покрытия, снижение трудоемкости изготовления лопаток при одновременном повышении выносливости и циклической прочности. 23 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения металлокерамического теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий нанесение жаростойкого подслоя и формирование армированного керамического слоя, отличающийся тем, что армированный керамический слой формируют поэтапно в следующей последовательности: наносят дискретный слой керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности жаростойкого подслоя, наносят по крайней мере один сплошной металлический слой из жаростойкого материала толщиной от 1 мкм до 12 мкм, наносят внешний сплошной керамический слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретный слой формируют из круглых островковых участков диаметром d_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, равной (0,1-1,5) d_уч.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что наносят круглые островковые участки с шахматным и/или коридорным расположением на поверхности жаростойкого подслоя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретный слой формируют из овальных островковых участков длиной l_уч от 0,5 мм до 10 мм, и шириной b_уч от 0,02 мм до 5 мм, и величиной зазора между ними, измеренной в зоне их максимального сближения, равной от (0,1-1,5) b_уч.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что наносят овальные островковые участки с шахматным и/или коридорным расположением на поверхности жаростойкого подслоя.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретный слой формируют из островковых участков в виде сот размерами сторон а_уч от 0,02 мм до 5 мм и величиной зазора между ними, равной (0,1-1,5) а_уч.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в качестве материала дискретного керамического слоя и материала внешнего керамического слоя используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5-9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что армированный керамический слой наносят толщиной от 20 мкм до 400 мкм, а входящий в его состав дискретный керамический слой наносят толщиной от 10% до 95% от общей толщины армированного керамического слоя при нанесении жаростойкого подслоя толщиной от 12 мкм до 70 мкм.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что перед нанесением подслоя производят ионно-плазменную очистку поверхности с последующей ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки, причем обработку производят ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si.

10. Способ по любому из пп.1-6, 8, 9, отличающийся тем, что в качестве материала жаростойкого подслоя используют сплав состава: Сr 18-34%, Аl 3-16%, Y 0,2-0,7%, Ni - остальное или Сr 18-34%, Аl 3-16%, Y 0,2-0,7%, Со 16-30%, Ni - остальное.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что при нанесении жаростойкого подслоя и сплошного металлического слоя из жаростойкого материала проводят периодическую имплантацию ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si до образования микро- или нанослоя с формированием от 3 до 1500 микрослоев.

12. Способ по любому из пп.1-6, 8, 9, отличающийся тем, что в качестве материала жаростойкого подслоя используют сплав состава: Si 4,0-12,0%, Y 1,0-2,0%, Аl - остальное.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что при нанесении жаростойкого подслоя и сплошного металлического слоя из жаростойкого материала проводят периодическую имплантацию ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si до образования микро- или нанослоя с формированием от 3 до 1500 микрослоев.

14. Способ по любому из пп.1-6, 8, 9, 11, 13, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого подслоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слои одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной 0,8-12,0 мкм.

15. Способ по любому из пп.1-6, 8, 9, 11, 13, отличающийся тем, что на сплошной металлический слой из жаростойкого материала дополнительно наносят слои одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной от 0,8 мкм до 6,0 мкм и/или высокотемпературный припой на основе одного или нескольких металлов Ni, Со, Nb толщиной 8-12 мкм.

16. Способ по любому из пп.1-6, 8, 9, 11, 13, отличающийся тем, что при формировании подслоя перед нанесением дискретного слоя из керамического материала дополнительно наносят переходный слой в виде слоев одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, Si или их сплавов толщиной 1,5-12 мкм.

17. Способ по п.7, отличающийся тем, что при формировании подслоя перед нанесением дискретного слоя из керамического материала дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, Si или их сплавов толщиной 1,5-12 мкм.

18. Способ по п.10, отличающийся тем, что при формировании подслоя перед нанесением дискретного слоя из керамического материала дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, Si или их сплавов толщиной 1,5-12 мкм.

19. Способ по п.16, отличающийся тем, что в качестве материала сплошного металлического слоя используют один или несколько металлов Nb, Pt, Hf, Сr или сплав состава: Сr 18-34%, Аl 3-16%, Y 0,2-0,7%, Ni - остальное или Сr 18-34%, Аl 3-16%, Y 0,2-0,7%, Со 16-30%, Ni - остальное.

20. Способ по любому из пп.1-6, 8, 9, 11, 13, 17-19, отличающийся тем, что нанесение слоев армированного теплозащитного покрытия осуществляют газотермическим, или вакуумными ионно-плазменными методами, или магнетронными методами, или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

21. Способ по любому из пп.1-6, 8, 9, 11, 13, 17-19, отличающийся тем, что после нанесения покрытия проводят его диффузионный отжиг.

22. Способ по п.20, отличающийся тем, что после нанесения покрытия производят его диффузионный отжиг.

23. Способ по любому из пп.9, 11, 13, 17-19, 22, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

24. Способ по п.21, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².