СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2012 года по МПК C23C14/06 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей от высокотемпературного окисления, в том числе сопловых блоков, створок сопла ГТД с регулируемым вектором тяги, рабочих и сопловых лопаток газовых турбин из никелевых сплавов.

Известен способ осаждения диффузионного алюминидного покрытия, на подложку из никелевого или кобальтового жаропрочного сплава, включающий нанесение диффузионного алюминидного покрытия, содержащего: Al, Si и Hf на подложку для формирования начального слоя алюминидного покрытия, далее нанесение слоя платины, формирование внутреннего слоя алюминидного покрытия и внешнего слоя гамма матрицы Ni, Pt, Si с содержанием компонентов от 0,01 до 8%, вторичные выделения, включающие силициды гафния и кремния (патент США №6291014).

Недостатками способа являются высокая трудоемкость процесса, использование дорогостоящего драгоценного металла - платины, неудовлетворительная жаростойкость покрытия при температурах выше 1100°С.

Известен также способ защиты лопаток газовых турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы путем введения в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)·10^-1 Па (патент РФ №2280096).

Недостатком способа является недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах до 1200°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты лопаток газовых турбин, включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, тантал, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, в котором осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного вольфрамом и рением при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 12-20 Алюминий 6-12 Иттрий 0,1-0,5 Тантал 1,5-8 Вольфрам 0,3-4 Рений 0,3-2,5 Никель остальное

(патент РФ №2190691).

Недостатком известного способа является недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах лопатки из никелевого сплава до 1200°С.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевого сплава до 1200°С.

Техническая задача достигается тем, что предложен способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность детали первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, тантал, рений, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного гафнием при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 6,0-11,5 Алюминий 6,0-12,0 Иттрий 0,1-0,5 Тантал 1,5-8,0 Рений 0,3-2,5 Гафний 0,2-1,5 Никель остальное

Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов с осаждением первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, дополнительно легированного гафнием, позволяет поднять жаростойкость покрытия за счет формирования на границе защищаемый сплав - покрытие карбидов на основе гафния, которые являются более термически стабильными при температурах выше 1100°С, чем карбиды хрома и вольфрама. Карбиды на основе гафния создают барьер, препятствующий диффузии алюминия из сплава покрытия в защищаемый сплав, а также встречной диффузии легирующих элементов защищаемого сплава в покрытие, снижающих жаростойкость при температуре выше 1100°С (титан молибден, кобальт). Кроме того, гафний оказывает положительное влияние на жаростойкость покрытия путем создания на поверхности покрытия окислов, повышающих адгезию защитной пленки оксида алюминия.

Примеры осуществления

Пример 1. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность соплового блока из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-1В в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице №1. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м².

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №2

Пример 2. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность створки сопла для ГТД с регулируемым вектором тяги из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-25 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице 2. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м².

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №3

Пример 3. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность лопатки газовых турбин из никелевого сплава ВЖМ-4 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице 3. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м².

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №4

На всех деталях из никелевых сплавов ВКНА-1В, ВКНА-25 и ВЖМ-4 покрытие, полученное с использованием сплава 1, на базе испытаний 400 часов обеспечило наименьшие значения потери массы деталей (таблицы 2, 3, 4) за счет положительного влияния гафния, снижения содержания хрома и исключения вольфрама. Жаростойкость покрытия повысилась более чем в 2 раза.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить жаростойкость покрытия и, следовательно, ресурс и надежность деталей газовых турбин.

Таблица №1 Сплав Содержание компонентов первого слоя конденсированного покрытия Ni Cr Al Y Та W Re Hf Сплав 1 Осн. 8,0 9,0 0,3 4,8 - 1,4 0,9 Сплав 2 Осн. 6,0 6,0 0,1 1,5 - 0,3 0,2 Сплав 3 Осн. 12,0 12,0 0,5 8,0 - 2,5 1,5 Сплав 4 (прототип) Осн. 16,0 9,0 0,3 4,8 2,1 1,4  

Таблица №2 Покрытие Кол-во образцов Время испытания, ч 50 100 150 200 250 300 350 400 Удельное изменение массы, г/м² Без покр. 3 -92 -146 -274 -385         Сплав 1 3 -12,42 -26,36 -37,41 -40,87 -49,53 -52,18 -57,76 -62,31 Сплав 2 3 -11,78 25,94 41,22 45,8 -54,33 -58,84 -64,67 -68,45 Сплав 3 3 -3,72 28,16 49,12 54,45 -59,45 -69,78 -72,22 -74,01 Сплав 4
(прототип) 3 -28,2 -40,91 -65,87 -75,43 -99,11 -110 -142 -184

Таблица №3 Покрытие Кол-во образцов Время испытания, ч 50 100 150 200 250 300 350 400 Удельное изменение массы, г/м² Без покр. 3 -82 -137 -272 -335         Сплав 1 3 -12,52 -26,46 -37,82 -40,37 -49,19 -52,45 -57,46 -62,19 Сплав 2 3 -11,56 25,45 41,85 45,25 -54,15 -58,17 -64,28 -68,93 Сплав 3 3 -3,79 28,46 49,13 54,78 -59,12 -69,45 -72,32 -74,81 Сплав 4
(прототип) 3 -28,97 -40,46 -65,82 -75,29 -99,27 -112 -145 -185

Таблица №4 Покрытие Кол-во образцов Время испытания, ч 50 100 150 200 250 300 350 400 Удельное изменение массы, г/м² Без покр. 3 -127 -198 -372 -592         Сплав 1 3 -14,52 -28,61 -39,85 -42,87 -51,42 -55,17 -61,78 -67,38 Сплав 2 3 -12,78 31,18 49,44 54,96 -65,19 -70,60 -77,60 -82,14 Сплав 3 3 -4,46 33,72 58,94 65,34 -71,34 -83,76 -86,64 -89,25 Сплав 4
(прототип) 3 -33,84 -49,02 -79,04 -90,51 -118 -132 -170 -220,

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей от высокотемпературного окисления, в том числе рабочих и сопловых лопаток газовых турбин из никелевых сплавов. Предложен способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов. Способ включает последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность детали первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего, мас.%: хром 6-12,0, алюминий 6-12,0, иттрий 0,1-0,5, тантал 1,5-8,0, рений 0,3-2,5, гафний 0,2-1,5, никель - остальное. Далее проводят осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг. Технический результат - повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевых сплавов до 1200°С. 4 табл., 3 пр.

Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, тантал, рений, последующее осаждение второго слоя из алюминиевого сплава и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного гафнием, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 6,0-11,5 Алюминий 6,0-12,0 Иттрий 0,1-0,5 Тантал 1,5-8,0 Рений 0,3-2,5 Гафний 0,2-1,5 Никель Остальное