СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2013 года по МПК C23C14/48 C23C14/22 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических 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 силовые установки газоперекачивающих агрегатов. 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 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 газа 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 (ZrО₂·Y₂О₃). Для обеспечения адгезии керамического слоя и защиты основного материала детали от окисления ТЗП имеет жаростойкий подслой.

Кроме того, известен способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины (Патент США №4,904,542. МПК С23С 14/08 "Multi-layer wear resistant coatings". 1992 г.), 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 (Патент РФ №2359065. МПК С23С 4/12, СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НА ДЕТАЛИ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ. Бюл. №17, 2009 г.). Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящая в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. 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. Кроме того, керамические слои, в том числе и на основе, диоксида циркония, имеют высокую кислородопроницаемость.

Известен также способ нанесения покрытия на лопатки турбины ГТД, включающий предварительную обработку поверхности детали, нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе никеля, нанесение второго слоя, содержащего алюминий, последующий вакуумный диффузионный отжиг, подготовку поверхности под напыление третьего слоя покрытия из ZrO₂ - Yb₂O₃ или ZrO₂ - Yb₂O₃ и ZrO₂ - Y₂О₃ (Патент РФ №2280095, СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ. Бюл. №20, 2006 г.).

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 Y₂О₃ (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. Существенным недостатком покрытий является их низкая стабильность и долговечность при высоких температурах. Теплозащитные покрытия характеризуются более низкой теплопроводностью, но растрескиваются и отслаиваются при теплосменах под действием термомеханических нагрузок.

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 подслоя.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения теплозащитного покрытия преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий нанесение жаростойкого подслоя и формирование на подслое керамического слоя [Патент РФ №2325467, МПК С23С 4/10. Способ получения создающего термический барьер покрытия/ Я.Вигрен, М.Ханссон/Вольво аэро корп./. 2008]. Способ включает предварительную обработку поверхности лопатки и нанесение связующего подслоя, жаростойкого слоя системы MeCrAlY и теплозащитного керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость подслоя и недостаточно высокие эксплуатационные свойства керамического слоя, 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 при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Технический результат достигается тем, что в способе получения теплозащитного покрытия для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающем нанесение жаростойкого подслоя и керамического слоя, в отличие от прототипа, перед нанесением жаростойкого подслоя поверхность лопатки подвергают ионно-имплантационной обработке ионами одного из следующих элементов N, Y, Yt или их комбинацией, а после нанесения керамического слоя ионно-плазменным методом наносят первый слой из сплава на никелевой основе, второй алюминидный слой и третий слой из сплава на никелевой основе, после чего проводят диффузионный отжиг в вакууме, при этом имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см², в качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя берут сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное или Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0, 2% до 0,7%, Со - от 16% до 30%, Ni - остальное, и их сочетания, а для второго слоя используют сплав состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Аl - остальное или в качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя берут сплав состава, в вес.%: Сr от 18% до 22%; Аl - от 9% до 11%; Y - от 0, 5% до 0,7%; Ni - остальное, а для второго слоя используют сплав состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 6, 0%; Y - от 1,2 до 1,6%; Аl - остальное, а в качестве керамического материала используют ZrO₂ - Y₂О₃ в соотношении Y₂О₃ - 5..9 вес. %, ZrO₂ - остальное, причем толщина керамического слоя составляет от 20 мкм до 400 мкм, толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм, а толщины первого, второго и третьего слоев от 4 до 12 мкм каждый, но не более 28 мкм их суммарной толщины.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия перед нанесением жаростойкого подслоя проводят ионно-плазменную очистку поверхности, а после нанесения жаростойкого подслоя наносят слой высокотемпературного припоя толщиной от 1 мкм до 40 мкм, а в качестве высокотемпературных припоев используют припои на основе Ni, Co, Fe, Nb, и их сочетаний, с добавками, выбранными из следующих элементов или их сочетаний В, Pt, Ti, Cr, Ag, Au, Si, W, V, Y, Yb, La, Hf, Та, In, а перед ионно-плазменной очисткой поверхности ее подвергают электролитно-плазменному полированию.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия нанесение жаростойкого подслоя, первого, второго и третьего слоев, осуществляют при периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, с образованием от 3 до 1500 микро- или нанослоев, разделенных имплантированными микро- или нанослоями, а перед нанесением жаростойкого подслоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слои из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,8 мкм до 12,0 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия после нанесения жаростойкого подслоя, дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1,5 мкм до 12 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия нанесение жаростойкого подслоя, керамического слоя, переходного слоя, слоя высокотемпературного припоя и слоев из Nb, Pt, Cr или их сочетания осуществляют газо-термическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия нанесение керамического слоя покрытия осуществляют электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения керамического слоя его подвергают ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, причем имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см².

Достижение технического результата объясняется также конструкцией покрытия, формируемой при реализации предлагаемого способа. В теплозащитных покрытиях, формируемых известными способами, основным недостатком является низкая прочность сцепления между керамическим внешним слоем и жаростойким подслоем, поскольку в процессе эксплуатации, за счет постоянно растущего слоя окислов происходит отторжение керамического слоя и покрытие теряет свои функциональные свойства. Кроме того, керамический слой покрытия подвержен разрушению из-за резких теплосмен. Предлагаемый же способ позволяет получать композиционные теплозащитные покрытия, в которых металлическая многослойная внешняя оболочка (являясь жертвенным слоем) позволяет адаптироваться керамическому слою под воздействием эксплуатационных нагрузок, температур и агрессивных сред. В последнем случае многослойное вакуумно-плазменное покрытие, являясь герметичным, удерживает проникновение кислорода к жаростойкому подслою и сохраняет его от окисления в первый период эксплуатации детали. Кроме того, внешняя оболочка предохраняет поверхность от эрозии и служит своеобразным каркасом, предохраняющим керамический слой и, в результате чего, как это показали исследования, проведенные авторами, достигаются такие эффекты как: стойкость к теплоударам, механическая прочность, высокие адгезионные свойства, возможность получения более толстых керамических слоев и как следствие повышение эксплуатационных свойств лопаток с теплозащитными покрытиями.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется схемой конструкции покрытия, представленного на фигуре. Фиг. содержит: 1 - основа (деталь), 2 - жаростойкий подслой, 3 - керамический слой, 4 - внешняя многослойная жаростойкая оболочка, 5 - первый слой сплава на никелевой основе, 6 - второй алюминидный слой, 7 - третий слой из сплава на никелевой основе.

Способ осуществляется следующим образом. Поверхность пера лопатки 1 подготавливают к нанесению покрытия и в соответствии с выбранным методом наносят жаростойкий подслой 2 толщиной от 15 мкм до 40 мкм. Перед нанесением жаростойкого подслоя 2, при использовании вакуумных методов нанесения материалов, проводят ионно-плазменную очистку поверхности и последующую ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами N, Yb, Y, La или их сочетанием. В качестве материала для нанесения жаростойкого подслоя 2 используют сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное или Cr от 18% до 22%; Al - от 9% до 11%; Y - от 0, 5% до 0,7%; Ni - остальное, причем нанесение жаростойкого подслоя 2 чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нанослоя, разделяющего жаростойкий подслой на микро-слои, формируя от 3 до 1500 микрослоев. Ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см². На образованный жаростойкий подслой 2 наносят керамический слой 3 толщиной от 20 мкм до 400 мкм, а в качестве керамического материала слоя 3 используют ZrО₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂О₃ - 5...9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Перед нанесением жаростойкого подслоя 2 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 слой 3 вакуумно-плазменным методом наносят внешнюю оболочку 4, формируя ее последовательным нанесением следующих трех жаростойких слоев 5, 6, 7. В качестве материала первого 5 и третьего слоев 7 берут сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или Cr - от 18% до 34%, Al - от 3% до 16%, Y - от 0,2% до 0,7%, Со - от 16% до 30%, Ni - остальное, и их сочетания, или Cr от 18% до 22%; Al - от 9% до 11%; Y - от 0,5% до 0,7%; Ni - остальное, а для второго слоя 6 используют сплав состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное или Si - от 4,0% до 6,0%; Y - от 1,2 до 1,6%; Al - остальное. При этом толщины первого 5, второго 6 и третьего 7 слоев берут в диапазонах от 4 до 12 мкм каждый, но не более 26 мкм их суммарной толщины оболочки 4.

Кроме того, как вариант, перед нанесением жаростойкого подслоя 2 проводят ионно-плазменную очистку поверхности 1, а после нанесения жаростойкого подслоя 2 наносят слой высокотемпературного припоя толщиной от 1 мкм до 40 мкм, а в качестве высокотемпературных припоев используют припои на основе Ni, Co, Fe, Nb, и их сочетаний, с добавками, выбранными из следующих элементов или их сочетаний В, Pt, Ti, Cr, Ag, Au, Si, W, V, Y, Yb, La, Hf, Та, In. Перед ионно-плазменной очисткой поверхности 1 ее можно подвергнуть электролитно-плазменному полированию, которое позволяет повысить однородность переходной зоны «основа-жаростойкий подслой» за счет повышения равномерности протекания диффузионных процессов как при диффузионном отжиге, так и при эксплуатации детали. После нанесения жаростойкого подслоя 2 также можно дополнительно наносить переходный слой в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1,5 мкм до 12 мкм. Нанесение слоев покрытия можно осуществлять любым из следующих методов: газо-термическим, вакуумными ионно-плазменными методами, магнетронными методами и электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме. При нанесении керамического слоя покрытия электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме можно производить ионно-имплантационную обработку поверхности (без подачи потенциала на деталь) ионами Y или Yt, при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см². С целью повышения жаростойкости металлических слоев могут наноситься дополнительные слои из устойчивых к окислению металлов. После нанесения покрытия проводят его диффузионный отжиг.

Для оценки стойкости лопаток газовых турбин с теплозащитными покрытиями, полученными по известному и предлагаемому способам, были проведены исследования режимов и условий нанесения теплозащитных покрытий и их свойств на образцах из никелевых и кобальтовых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000).

Перед нанесением жаростойкого покрытия поверхность детали подвергалась следующим вариантам подготовки и обработки: электролитно-плазменному полированию (ЭПП) в электролите состава и режимах, представляющих ноу-хау, а также без ЭПП. Кроме того, использовалась подготовка поверхности методом пескоструйной обработки электрокорундом дисперсностью порядка 10-20 мкм. Толщина жаростойкого подслоя бралась в диапазоне от 15 мкм до 40 мкм (14 мкм-Н.Р. (неудовлетворительный результат); 15 мкм; 20 мкм; 40 мкм; 50 мкм-Н.Р.); перед нанесением жаростойкого подслоя проводили ионно-плазменную очистку поверхности с последующей ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки ионами N, Yb, Y или их сочетанием (N+Yb; N+Yb+Y; N+Y; Y+Yb), а также, как вариант, перед нанесением жаростойкого подслоя на поверхность лопатки дополнительно наносили слои из Nb, Pt, Cr или их сочетания (Nb+Pt; Nb+Pt+Cr; Nb+Cr; Cr+Pt) толщиной от 0,8 мкм до 12,0 мкм (0,6 мкм - Н.Р.; 0,8 мкм; 0,8 мкм; 1,8 мкм; 6,0 мкм; 12,0 мкм; 13,0 мкм - Н.Р.). Кроме того, после нанесения жаростойкого подслоя, дополнительно наносили переходный слой в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1,5 мкм до 12 мкм (1,2 мкм - Н.Р.; 1,5 мкм; 3,4 мкм; 6,0 мкм; 12 мкм; 14 мкм - Н.Р.).

Перед нанесением керамического слоя также, как вариант воплощения, наносили высокотемпературный припой толщиной от 1 мкм до 40 мкм (0,8 мкм - Н.Р.; 1 мкм; 10 мкм; 40 мкм; 45 мкм - Н.Р.), а в качестве высокотемпературных припоев использовали припои на основе Ni, Co, Fe, Nb, и их сочетаний, с добавками, выбранными из следующих элементов или их сочетаний В, Pt, Ti, Cr, Ag, Au, Si, W, V, Y, Yb, La, Hf, Та, In (процентное соотношение Ni, Co, Fe, Nb в комбинациях и их сочетания с добавками, выбранными из следующих элементов или их сочетаний В, Pt, Ti, Cr, Ag, Au, Si, W, V, Y, Yb, La, Hf, Та, In, также являются ноу-хау).

В качестве материала жаростойкого подслоя и первого слоя сплава на никелевой основе, второго алюминидного слоя и третьего слоя из сплава на никелевой основе, а также дополнительных жаростойких слоев покрытия, были исследованы варианты в виде одного из металлов Nb, Pt, Нf, 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%; 22%; 26%; 34%; 38% - (Н.Р.)); Al - от 3% до 16% (2% - (Н.Р.); 3%; 6%; 9%; 11%; 12%; 16%; 18% - (Н.Р.)); Y - от 0, 2% до 0,7% (0, 1% - (Н.Р.); 0, 2%; 0, 4%; 0, 5%; 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%; 6,0%; 8,0%; 12,0%; 14,0% - (Н.Р.)); Y - от 1,0 до 2,0% (0,8% - (Н.Р.); 1,0%; 1,2%; 1,6%; 2,0%; 2,2% - (Н.Р.)); Al - остальное.

В качестве материала керамического слоя использовали ZrO₂-Y₂О₃ в соотношении Y₂О₃ - 5..9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Толщина керамического слоя составляла от 20 мкм до 400 мкм (18 мкм - Н.Р.; 20 мкм; 100 мкм; 200 мкм; 400 мкм; 420 мкм - Н.Р.). При нанесении керамического слоя покрытия электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, после нанесения керамического слоя его подвергали ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, причем имплантацию ионов проводили при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см².

Толщины первого, второго и третьего слоев внешней оболочки покрытия составляли от 4 до 12 мкм каждый (сочетания соответственно: 2 мкм +2 мкм +4 мкм -(Н.Р.); 4 мкм +4 мкм +4 мкм; 6 мкм +8 мкм +12 мкм; 4 мкм +12 мкм +4 мкм; 8 мкм +12 мкм +6 мкм; 8 мкм +12 мкм +8 мкм; 12 мкм +12 мкм +12 мкм - (Н.Р.)), но не более 28 мкм их суммарной толщины.

Как вариант, нанесение жаростойкого подслоя, а также первого слоя сплава на никелевой основе, второго алюминидного слоя и третьего слоя из сплава на никелевой основе, чередовали с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводили до образования микро- или нанослоев, разделяющих жаростойкий подслой, а также первого слоя сплава на никелевой основе, второго алюминидного слоя и третьего слоя из сплава на никелевой основе, на микро- или нанослои. При этом количество сформированных микро- или нанослоев составляло от 3 до 1500 (3; 40; 150; 500; 1000; 1500) микро- или нанослоев.

Режимы обработки образцов и нанесения слоев покрытия: ионная имплантация (Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием) при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см² (диффузионный отжиг в вакууме 10^-2…10^-3 мм рт.ст. при температуре 1000°С в течение 2 ч).

Толщины слоев по способу-прототипу составляли: - толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм (15 мкм; 250 мкм; 40 мкм), толщина керамического слоя 300 мкм.

Нанесение слоев 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 ЦНК -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 280-295 МПа, кобальтовые - 255-280 МПа, (таблица 1).

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

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 ΔР, г/м². Полученные результаты представлены в таблице 2.

Табл.2 № группы образцов Циклическая жаростойкость, ч Изотермическая жаростойкость τ, ч ΔР, г/м² 500 ч 1000 ч 1 2 3 4 5 0 550 350 6,8 12,4 1 750 700 6,4 10,8 2 750 650 6,8 10,7 3 800 700 6,0 10,3 4 950 750 5,5 8,9 5 750 600 6.1 8,8 6 900 800 5,2 8,4 7 950 800 4,4 7,7 8 750 600 6,5 9.0 9 950 850 5,1 8,6 10 850 700 5,4 9,5 11 900 800 4,8 9,5 12 850 650 5,2 9,5 13 750 550 7,6 10,0 14 850 750 6,8 9,9 15 800 700 8,1 10,2 16 900 800 5,7 9,2 17 900 750 6,4 9,4 18 800 650 5,8 9,2 19 900 700 5,7 9,4 20 900 700 5,9 9,9

Стойкость покрытий к теплосменам оценивалась 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 оценивалась 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 24 до 36 циклов.

Повышение стойкости к теплосменам, жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 1 и 2) указывает на то, что при применении следующих вариантов получения теплозащитного покрытия: нанесение жаростойкого подслоя и керамического слоя; подверженность поверхности лопатки перед нанесением жаростойкого подслоя ионно-имплантационной обработке ионами одного из следующих элементов N, Y, Yt или их комбинаций; после нанесения керамического слоя нанесение ионно-плазменным методом первого слоя из сплава на никелевой основе, второго алюминидного слоя и третьего слоя из сплава на никелевой основе; проведение после нанесения покрытия диффузионного отжига в вакууме; а также, при применении следующих вариантов формирования покрытия: проведение имплантации ионов при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см²; использование в качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя сплавов состава, в вес.%: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное или Cr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0, 2% до 0,7%, Со - от 16% до 30%, Ni - остальное, и их сочетания, а для второго слоя использование сплава состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, а также использование в качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя сплава состава, в вес.%: Сr от 18% до 22%; Al - от 9% до 11%; Y - от 0, 5% до 0,7%; Ni - остальное, а для второго слоя использование сплава состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 6, 0%; Y - от 1,2 до 1,6%; Al - остальное, а в качестве керамического материала использование ZrО₂-Y₂О₃ в соотношении Y₂O₃ - 5..9 вес.%, ZrO₂ - остальное, причем толщина керамического слоя составляет от 20 мкм до 400 мкм, толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм, а толщины первого, второго и третьего слоев от 4 до 12 мкм каждый, но не более 28 мкм их суммарной толщины; проведение имплантации ионов при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см²; проведение перед нанесением жаростойкого подслоя ионно-плазменной очистки поверхности, а после нанесения жаростойкого подслоя нанесение слоя высокотемпературного припоя толщиной от 1 мкм до 40 мкм; использование в качестве высокотемпературных припоев на основе Ni, Co, Fe, Nb, и их сочетаний, с добавками, выбранными из следующих элементов или их сочетаний В, Pt, Ti, Cr, Ag, Au, Si, W, V, Y, Yb, La, Hf, Та, In; подверженность поверхности детали перед ионно-плазменной очисткой электролитно-плазменному полированию; нанесение жаростойкого подслоя, а также первого слоя сплава на никелевой основе, второго алюминидного слоя и третьего слоя из сплава на никелевой основе, при чередовании с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, с образованием от 3 до 1500 микро- или нанослоев, разделенных имплантированными микро- или нанослоями; дополнительное нанесение перед нанесением жаростойкого подслоя на поверхность лопатки слоев из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,8 мкм до 12,0 мкм; дополнительное нанесение после нанесения жаростойкого подслоя, переходного слоя в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, при толщине переходного слоя от 1,5 мкм до 12 мкм; нанесение слоев покрытия газо-термическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; нанесение керамического слоя покрытия электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения керамического слоя его подвержение ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, при проведении имплантации при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/ см² до 10 мА/см², позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышения эксплуатационных свойств теплозащитного покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на рабочие лопатки газотурбинных двигателей и энергетических установок. Поверхность лопатки подвергают ионно-имплантационной обработке ионами одного из следующих элементов N, Y, Yt или их комбинацией. Наносят жаростойкий подслой и керамический слой. После нанесения керамического слоя ионно-плазменным методом наносят первый слой сплава на никелевой основе, второй алюминидный слой и третий слой из сплава на никелевой основе, после чего проводят диффузионный отжиг в вакууме. Имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2 - 100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см². В качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя используют сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0,2% до 0,7%, Ni - остальное или Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0, 2% до 0,7%, Со - от 16% до 30%, Ni - остальное, и их сочетания. Для второго слоя используют сплав состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%, Аl - остальное. В качестве керамического материала используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂О₃ - 5-9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Толщина керамического слоя составляет от 20 мкм до 400 мкм, толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм, а толщины первого, второго и третьего слоев от 4 до 12 мкм каждый, но не более 28 мкм их суммарной толщины. Повышаются эксплуатационные свойства теплозащитного покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с покрытием. 19 з.п. ф-лы., 1 ил., 2 табл.

1. Способ получения теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий нанесение жаростойкого подслоя и керамического слоя, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого подслоя поверхность лопатки подвергают ионно-имплантационной обработке ионами одного элемента, выбранного из N, Y, Yt, или их комбинацией, а после нанесения керамического слоя ионно-плазменным методом наносят первый слой сплава на никелевой основе, второй алюминидный слой и третий слой из сплава на никелевой основе, после чего проводят диффузионный отжиг в вакууме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см², в качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя берут сплав состава в вес.%: Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0,2% до 0,7%, Ni - остальное или Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0, 2% до 0,7%, Со - от 16% до 30%, Ni - остальное, и их сочетания, а для второго слоя используют сплав состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%, Аl - остальное, а в качестве керамического материала используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂О₃ - 5-9 вес.%, ZrO₂ - остальное, причем толщина керамического слоя составляет от 20 мкм до 400 мкм, толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм, а толщины первого, второго и третьего слоев от 4 до 12 мкм каждый, причем не более 28 мкм их суммарной толщины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см², в качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя берут сплав состава в вес.%: Сr от 18% до 22%, Аl - от 9% до 11%, Y -от 0,5% до 0,7%, Ni - остальное, а для второго слоя используют сплав состава в вес.%: Si - от 4,0% до 6, 0%, Y - от 1,2 до 1,6%, Аl - остальное, а в качестве керамического материала используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂О₃ - 5-9 вес.%, ZrO₂ - остальное, причем толщина керамического слоя составляет от 20 мкм до 400 мкм, толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм, а толщины первого, второго и третьего слоев от 4 до 12 мкм каждый, причем не более 28 мкм их суммарной толщины.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого подслоя проводят ионно-плазменную очистку поверхности, а после нанесения жаростойкого подслоя, наносят слой высокотемпературного припоя толщиной от 1 мкм до 40 мкм, а в качестве высокотемпературных припоев используют припои на основе Ni, Co, Fe, Nb, и их сочетаний, с добавками, выбранными из следующих элементов или их сочетаний В, Pt, Ti, Cr, Ag, Au, Si, W, V, Y, Yb, La, Hf, Та, In.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед ионно-плазменной очисткой поверхности ее подвергают электролитно-плазменному полированию.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что нанесение жаростойкого подслоя, первого, второго и третьего слоев осуществляют при периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, или их сочетанием с образованием от 3 до 1500 микро- или нанослоев, разделенных имплантированными микро- или нанослоями.

7. Способ по любому из пп.1-3, 5, 6, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого подслоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слои из Nb, Pt, Cr, или их сочетания толщиной от 0,8 мкм до 12,0 мкм.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого подслоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слои из Nb, Pt, Cr, или их сочетания толщиной от 0,8 мкм до 12,0 мкм.

9. Способ по любому из пп.1-3, 5, 6, 8, отличающийся тем, что после нанесения жаростойкого подслоя дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1,5 мкм до 12 мкм.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что после нанесения жаростойкого подслоя дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1,5 мкм до 12 мкм.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что после нанесения жаростойкого подслоя дополнительно наносят переходный слой в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1,5 мкм до 12 мкм.

12. Способ по любому из пп.1-3, 5, 6, 8, 10, 11, отличающийся тем, что нанесение жаростойкого подслоя и керамического слоя осуществляют газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

13. Способ по п.4, отличающийся тем, что нанесение жаростойкого подслоя, керамического слоя и слоя высокотемпературного припоя осуществляют газо-термическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что нанесение жаростойкого подслоя, керамического слоя и слоев из Nb, Pt, Cr, или их сочетания осуществляют газо-термическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что нанесение жаростойкого подслоя, керамического слоя и переходного слоя осуществляют газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

16. Способ по любому из пп.1-3, 5, 6, 8, 10, 11, 13-15, отличающийся тем, что нанесение керамического слоя покрытия осуществляют электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения керамического слоя его подвергают ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, причем имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см².

17. Способ по п.4, отличающийся тем, что нанесение керамического слоя покрытия осуществляют электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения керамического слоя его подвергают ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, причем имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см².

18. Способ по п.7, отличающийся тем, что нанесение керамического слоя покрытия осуществляют электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения керамического слоя его подвергают ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, причем имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см².

19. Способ по п.9, отличающийся тем, что нанесение керамического слоя покрытия осуществляют электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения керамического слоя его подвергают ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, причем имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см².

20. Способ по п.12, отличающийся тем, что нанесение керамического слоя покрытия осуществляют электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения керамического слоя его подвергают ионно-имплантационной обработке ионами Y или Yt, причем имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2-100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см².