КОМПОНЕНТ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА И СУСПЕНЗИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ КОМПОНЕНТА ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА Российский патент 2015 года по МПК C23C10/18 C23C30/00 C23C28/00 

2420-180239RU/051

КОМПОНЕНТ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

И СУСПЕНЗИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ КОМПОНЕНТА ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение относится к суспензионной композиции для алюминизации компонента из жаропрочного сплава и к компоненту из жаропрочного сплава, содержащему алюминидное покрытие.

Компоненты, которые подвергаются воздействию горячих коррозионно-активных газов, например, такие как газотурбинные компоненты, которые подвергаются воздействию горячих и коррозионно-активных газообразных продуктов сгорания, обычно изготавливают из жаропрочных сплавов, которые обладают повышенной прочностью при повышенных температурах. Такими жаропрочными сплавами, в частности, являются жаропрочные сплавы на основе никеля, жаропрочные сплавы на основе железа и жаропрочные сплавы на основе кобальта.

Хотя жаропрочные сплавы обладают повышенной прочностью при температурах вплоть до 1200°C и более, они нуждаются в защите от окисления и/или коррозии. Такую защиту обычно осуществляют путем формирования покрытий из оксида алюминия, таких как так называемые MCrAlY-наружные покрытия, в которых M означает железо (Fe), кобальт (Co) или никель (Ni); Y представляет собой иттрий (Y), гафний (Hf) или редкоземельный элемент. Во время получения наружного покрытия алюминий подвергается окислению и образует плотно прилегающую пленку оксида алюминия, которая защищает компоненты от окисления и коррозии. Такие покрытия, например, известны из европейских патентов № EP 0486489B1, EP 0786017B1 или EP 1306456A1.

Еще одним способом формирования устойчивой к коррозии и/или окислению пленки оксида алюминия является так называемая алюминизация с использованием суспензии. В способе алюминизации с использованием суспензии поверхность компонента покрывают суспензией, содержащей алюминий. Затем компонент подвергают термической обработке, которая приводит к плавлению алюминия. Расплавленный алюминий затем взаимодействует с материалом компонента и образует алюминидное покрытие в виде пленки оксида алюминия, защищающей компонент от окисления и/или коррозии. Кроме алюминия суспензия также может содержать кремний, приводящий к алюминид-силицидному покрытию, которое обладает лучшей стойкостью к окислению, чем только одно алюминидное покрытие. Формирование алюминидных покрытий и алюминид-силицидных покрытий с помощью способа с использованием суспензий описано, например, в патентах США № 5547770, 6080246, европейском патенте EP 1820875A2, патентах США № 2007/0298269 A1 и 6126758.

Кроме того, из патента США 3720537 известно, что способ с использованием суспензий можно применять для нанесения покрытия на подложки, состоящие из сплава. Тонко раздробленные сплавы кобальта-алюминия, никеля-алюминия и/или железа-алюминия смешивают со сплавом хрома-алюминия. Иттрий можно добавлять в виде сплава.

Задачей настоящего изобретения является получение эффективной суспензионной композиции для алюминизации компонента из жаропрочного сплава, в частности компонента из жаропрочного сплава на основе никеля (Ni), на основе кобальта (Co) или железа (Fe). Дополнительной задачей настоящего изобретения является получение эффективного компонента из жаропрочного сплава, содержащего алюминидное покрытие.

Первая задача достигается с помощью суспензионной композиции для алюминизации компонента из жаропрочного сплава, которая заявлена в п.1 формулы изобретения. Вторая задача достигается с помощью компонента из жаропрочного сплава, содержащего алюминидное покрытие, который заявлен в п.7 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к дополнительным модификациям изобретения.

Суспензионная композиция для алюминизации компонента из жаропрочного сплава согласно изобретению содержит органическое связующее, то есть растворитель типа воды с солями в качестве связующего, и сухое содержимое. Сухое содержимое включает алюминий. Согласно изобретению суспензионная композиция дополнительно включает гафний (Hf) и/или иттрий (Y), как правило, гафний и иттрий. Гафний и/или иттрий можно добавлять к сухому содержимому суспензии либо в виде порошка, в форме хлопьев, мелкой металлической стружки или тому подобного, либо добавлять к органическому связующему в форме солей.

В качестве органических связующих, применяемых в суспензии согласно изобретению, в контексте настоящего изобретения особенно применимы хроматные и/или фосфатные органические связующие.

Было обнаружено, что добавление к суспензии гафния и/или иттрия приводит к улучшению защиты от окисления и коррозии, обеспечиваемой алюминидным покрытием, которое формируется после термической обработки компонента из жаропрочного сплава, обеспечиваемым с помощью суспензии согласно изобретению. Предпочтительное содержание гафния в суспензии составляет вплоть до приблизительно 2,5 масс.% в расчете на массу суспензии, предпочтительно вплоть до приблизительно 1 масс.% в расчете на массу суспензии. Предпочтительное содержание иттрия в суспензии составляет вплоть до приблизительно 0,1 масс.% в расчете на массу суспензии, в частности вплоть до приблизительно 0,05 масс.% (5 ч/млн) в расчете на массу суспензии.

Дополнительно к алюминию сухое содержимое может содержать кремний в количестве от 1 масс.% до 40 масс.% в расчете на общую массу сухого содержимого. Подобно гафнию и/или иттрию кремний благодаря формированию алюминид-силицидного покрытия, а не только одного алюминидного покрытия, повышает стойкость к окислению и коррозии компонента из жаропрочного сплава с покрытием.

В результате дополнительной модификации суспензионной композиции согласно изобретению содержание серы (S) в суспензии должно составлять не более 5 ч/млн в расчете на массу суспензии. Поскольку сера является коррозионно-активной в отношении материала жаропрочного сплава, присутствие серы в суспензии могло бы ослабить прочность компонента из жаропрочного сплава, когда во время термической обработки компонента, покрытого суспензией, на нем формируется пленка оксида алюминия. Путем уменьшения содержания серы в суспензии настолько, насколько возможно, можно предотвратить потерю прочности компонента из-за серы во время термической обработки.

Компонент из жаропрочного сплава согласно изобретению содержит алюминидное покрытие. Материал покрытия содержит, по меньшей мере, один слой, который кроме алюминия содержит гафний и/или иттрий, как правило, гафний и иттрий. Было обнаружено, что стойкость к коррозии и/или стойкость к окислению алюминидного покрытия может улучшаться, если в дополнение к алюминию присутствует гафний и/или иттрий.

В конкретном варианте осуществления изобретения покрытие компонента из жаропрочного сплава согласно изобретению содержит, по меньшей мере, два слоя, в которых материал одного из слоев покрытия содержит алюминий без гафния и без иттрия. Материал другого слоя покрытия содержит гафний и/или иттрий. В дополнительной модификации изобретения покрытие содержит, по меньшей мере, три слоя, в которых материал двух слоев покрытия содержит алюминий без гафния и без иттрия. Материал третьего слоя покрытия кроме алюминия содержит гафний и/или иттрий. Такой третий слой, в частности, может быть помещен между слоями без гафния и/или иттрия. Однако следует отметить, что хотя слои с иттрием и/или гафнием и слои без иттрия и/или гафния присутствуют в описанной модификации изобретения, изобретение не ограничивается случаями, в которых присутствуют слои без гафния и без иттрия. В частности, в контексте настоящего изобретения оба слоя (или в случае трех слоев два слоя или все три слоя) могут содержать гафний и/или иттрий.

Если слой покрытия компонента из жаропрочного сплава согласно изобретению кроме алюминия содержит гафний, содержание гафния предпочтительно составляет вплоть до приблизительно 3 масс.% в расчете на массу компонентов слоя. Такой слой, например, можно обеспечивать с помощью суспензии, содержащей 70% связующего и не более 1 масс.% гафния в расчете на массу суспензии.

Если кроме алюминия слой содержит иттрий, содержание иттрия предпочтительно составляет вплоть до приблизительно 0,17 масс.% в расчете на массу компонентов слоя. Такой слой можно обеспечивать путем применения суспензии, содержащей вплоть до 70% органического связующего и 0,05 масс.% (5 ч/млн) иттрия в расчете на массу суспензии.

Согласно дополнительной модификации изобретения материал покрытия содержит, по меньшей мере, один слой. Материал покрытия, в котором, по меньшей мере, один слой содержит кроме алюминия кремний. Содержание кремния в таком слое может составлять от 1 до 40 масс.% в расчете на массу компонентов слоя. Заметим, что возможен случай, когда все алюминийсодержащие слои также содержат кремний.

Дополнительные признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из следующего описания варианта осуществления изобретения в сочетании с сопровождающими чертежами.

На фиг.1 показан первый вариант осуществления компонента согласно изобретению.

На фиг.2 показан второй вариант осуществления компонента согласно изобретению.

На фиг.3 показан третий вариант осуществления компонента согласно изобретению.

Первый вариант осуществления компонента из жаропрочного сплава согласно изобретению показан на фиг.1. На фигуре в очень схематичном виде в разрезе показан компонент, который может представлять собой газотурбинный компонент типа лопатки или лопасти турбины или элемент на пути течения горячего газа в жаровой трубе. На фигуре показан жаропрочный сплав 1 с нанесенным на него покрытием 3. Жаропрочный сплав 1, в частности, может представлять собой один из жаропрочных сплавов, описанных в патентах EP 1204776B1, EP 1306454B1, EP 1319729A1 и патентных заявках WO 99/67435 A1 или WO 00/44949 A1.

В частности, согласно патенту EP 1204776B1 жаропрочный сплав 1 может быть изготовлен из жаропрочного сплава на основе никеля, композиция которого содержит следующие элементы (в процентах по массе): 11-13% хрома, 3-5% вольфрама, 0,5-2,5% молибдена, 3-5% алюминия, 3-5% титана, 3-7% тантала, 0-12% кобальта, 0-1% ниобия, 0-2% гафния, 0-1% циркония, 0-0,05% бора, 0-0,2% углерода, 1-5% рения, 0-5% рутения, а остальное составляет Ni и примеси.

Из патента EP 1306454B1 известен защитный слой для защиты компонента от коррозии и окисления при высоких температурах, который состоит из следующих элементов (данные приведены в процентах по массе): от 0,5 до 2% рения, от 15 до 21% хрома, от 9 до 11,5% алюминия, от 0,05 до 0,7% иттрия и/или, по меньшей мере, одного эквивалентного металла из группы, состоящей из скандия и редкоземельных элементов, от 0 до 1% рутения, а остальное составляет кобальт и/или никель и примеси, связанные с производством.

Согласно патенту EP 1319729A1 жаропрочный сплав 1 может быть изготовлен из жаропрочного сплава на основе никеля, композиция которого содержит следующие элементы (в процентах по массе): 9-10,75% хрома, 3-5% вольфрама, 0,5-2,5% молибдена, 3-5% алюминия, 3-5% титана, 3-7% тантала, 0-12% кобальта, 0-1% ниобия, 0-2% гафния, 0-1% циркония, 0-0,05% бора, 0-0,2% углерода, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из рения, рутения, в котором применяется 1-5% рения, и/или от 0,1 до 5% рутения, а остальное составляет Ni и примеси.

Компания Sermatech^® International также предлагает покрытия на основе алюминида никеля под торговыми марками "SermaLoy^® J" и "SermaLoy^® 1515". Покрытие "SermaLoy^® J" представляет собой алюминидное диффузионное покрытие, наносимое с использованием суспензии и предназначенное для защиты компонентов горячих участков газовых турбин и промышленных компонентов, подвергающихся высокотемпературной коррозии. Оно наносится на поверхность компонента и затем диффундирует. В результате это приводит к покрытию, которое плотно прилегает к участку поверхности. Покрытие "SermaLoy 1515" предназначено для защиты компонентов, изготавливаемых из высокопрочных сплавов на основе низкохромистого никеля, чрезвычайно стойких как к высокотемпературной, так и низкотемпературной горячей коррозии, а также к окислению. Оно предназначено, в частности, для защиты внутренних охлаждающих каналов лопаток турбин.

Покрытие 3 представляет собой алюминид-силицидное покрытие, которое содержит гафний и иттрий. Содержание гафния составляет приблизительно 3 масс.% в расчете на массу компонентов слоя, в то время как содержание иттрия составляет приблизительно 0,17 масс.% в расчете на массу компонентов слоя.

Покрытие 3, соответствующее "первому слою" согласно формуле изобретения, формируют способом алюминизации с использованием суспензии. При таком способе сухое содержимое, содержащее алюминий и необязательно кремний, в котором содержание кремния составляет от 1% до 40% в расчете на общую массу сухого содержимого, смешивают с органическим связующим, содержащим хромат и фосфат, получая при этом суспензию, которую можно наносить на поверхность жаропрочного сплава 1. К суспензии добавляют гафниевый порошок в количестве 1 масс.% в расчете на массу суспензии. Кроме того, к суспензии добавляют иттриевый порошок в количестве 0,05 масс.% в расчете на массу суспензии. При получении суспензии количество серы в суспензии тщательно регулируют до очень низких следовых количеств, составляющих менее 5 ч/млн.

Затем суспензию наносят на поверхность компонента жаропрочного сплава, например, путем распыления ее на приемную часть. После нанесения на поверхность компонента суспензию отверждают путем термической обработки при температуре около 300°C. Алюминий, необязательно кремний, гафний и иттрий, содержащиеся в отвержденной суспензии, затем диффундируют внутрь поверхности жаропрочного сплава 1 благодаря термодиффузионной обработке при температурах от 700 до 1100°C. Благодаря применению термодиффузионной обработки алюминий, необязательно кремний, иттрий и гафний встраиваются в поверхностный слой жаропрочного сплава 1, в то время как растворитель органического связующего улетучивается. Остальные компоненты связующего, которые не улетучиваются, можно легко удалять механическим способом, например, с помощью быстрой обдувки поверхности.

Второй вариант осуществления компонента согласно изобретению показан на фиг.2. Такой вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что на слой покрытия 3 по первому варианту осуществления изобретения наносится второй слой покрытия 5. При этом покрытие 3 будет расположено между жаропрочным сплавом 1 и вторым слоем 5 покрытия. Применительно ко второму варианту осуществления изобретения слой 3 покрытия также будет называться первым слоем 3 покрытия. Второй слой покрытия 5 может, в принципе, представлять собой слой покрытия, которое описано в связи с первым слоем 3 покрытия согласно первому варианту осуществления изобретения. Однако в качестве второго слоя 5 покрытия также можно применять слой покрытия, не содержащий ни иттрия, ни гафния.

В модификации второго варианта осуществления изобретения первый слой 3 покрытия содержит только один из элементов, гафний и иттрий, в то время как второй слой покрытия содержит другой из указанных элементов. Например, первый слой 3 покрытия может содержать гафний, в то время как второй слой 5 покрытия содержит иттрий. Такие слои можно было бы получать с помощью способа, описанного применительно к первому варианту осуществления изобретения для создания слоя 3 покрытия, если к соответствующей суспензии добавлять только гафний или иттрий.

Третий вариант осуществления компонента из жаропрочного сплава согласно изобретению показан на фиг.3. Покрытие согласно третьему варианту осуществления изобретения представляет собой трехслойное покрытие (вид со стороны подложки 1 из жаропрочного сплава), первый слой 7 покрытия, соответствующий "второму слою" согласно формуле изобретения, не содержит ни иттрия, ни гафния, второй слой 9 покрытия, соответствующий "первому слою" согласно формуле изобретения, содержит иттрий и гафний, и третий слой 11 покрытия, соответствующий "третьему слою" согласно формуле изобретения, не содержит ни иттрия, ни гафния. Все слои можно получать согласно описанному выше способу путем точного добавления иттрия и/или гафния к соответствующей суспензии или без добавления иттрия и/или гафния.

Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.3, можно модифицировать таким образом, что любой из слоев - первый слой 7 покрытия, второй слой 9 покрытия и третий слой 11 покрытия - мог содержать, по меньшей мере, один из элементов, гафний и иттрий. В частности, все три слоя могут содержать иттрий и/или гафний. С другой стороны, было бы возможно, например, чтобы первый слой 7 покрытия не содержал ни иттрия, ни гафния, второй слой 9 покрытия содержал иттрий, третий слой 11 покрытия содержал гафний.

Следует отметить, что когда покрытие содержит более одного слоя, для каждого слоя покрытия будет проводиться термическая обработка или лазерная обработка, как упомянуто выше.

Во всех трех вариантах осуществления изобретения содержание гафния предпочтительно составляет вплоть до приблизительно 3 масс.% в расчете на массу компонентов слоя, и/или содержание иттрия составляет вплоть до приблизительно 0,17 масс.% в расчете на массу компонентов слоя, которые можно обеспечивать, например, путем применения суспензии, содержащей 70 масс.% органического связующего, 1 масс.% гафния и/или 0,05 масс.% иттрия в расчете на массу суспензии; остальное сухое содержимое, в котором сухое содержимое содержит алюминий, дополнительно может содержать кремний в диапазоне от 1 до 40 масс.% в расчете на массу сухого содержимого, в частности от 1 масс.% до приблизительно 20 масс.% в расчете на массу сухого содержимого, и в конкретных вариантах осуществления изобретения - приблизительно от 10 до 15 масс.% по массе сухого содержимого.

Изобретение относится к суспензиям для алюминизации компонентов из жаропрочного сплава и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в условиях воздействия горячих коррозионно-активных газов, например газотурбинных компонентов. Суспензия содержит органическое связующее и твердое содержимое, включающее алюминий, иттрий и гафний, при этом содержание серы в ней составляет не более 5 ч/млн в расчете на массу композиции. Компонент (1) из жаропрочного сплава содержит алюминидное покрытие, причем материал покрытия содержит, по меньшей мере, один слой (3), который в дополнение к алюминию содержит гафний и иттрий. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости к окислению и коррозии компонента из жаропрочного сплава с алюминидным покрытием. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Композиция суспензии для алюминизации компонента из жаропрочного сплава, в которой композиция содержит органическое связующее и твердое содержимое, включающее алюминий и иттрий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гафний и содержание серы в ней составляет не более 5 ч/млн в расчете на массу композиции.

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что содержание гафния в композиции составляет вплоть до приблизительно 2,5 мас.%, в частности вплоть до приблизительно 1 мас.%, в расчете на массу композиции.

3. Композиция по любому из пп.1-2, отличающаяся тем, что содержание иттрия в композиции составляет вплоть до приблизительно 0,1 мас.%, в частности вплоть до приблизительно 0,05 мас.%, в расчете на массу композиции.

4. Композиция по любому из пп.1-2, отличающаяся тем, что твердое содержимое включает кремний в количестве от 1 до 40 мас.% в расчете на общую массу твердого содержимого.

5. Композиция по любому из пп.1-2, отличающаяся тем, что органическое связующее содержит хроматные и/или фосфатные органические связующие.

6. Компонент (1) из жаропрочного сплава, подвергаемый высокотемпературной коррозии, содержащий алюминидное покрытие, отличающийся тем, что покрытие содержит, по меньшей мере, три слоя (7, 9, 11), при этом первый слой (9) получен из суспензии по любому из пп. 1-5, третий слой (11) выполнен из материала, содержащего алюминий и не содержащего гафний и иттрий, при этом первый слой (9) является промежуточным между вторым слоем (7) и третьим слоем (11).

7. Компонент (1) из жаропрочного сплава по п.6, отличающийся тем, что содержание гафния в первом слое составляет вплоть до приблизительно 3 мас.% в расчете на массу компонентов слоя.

8. Компонент (1) из жаропрочного сплава по п.6 или 7, отличающийся тем, что содержание иттрия в первом слое составляет вплоть до приблизительно 0,17 мас.% в расчете на массу компонентов слоя.

9. Компонент (1) из жаропрочного сплава по п.6 или 7, отличающийся тем, что покрытие содержит, по меньшей мере, один слой, содержащий кремний в дополнение к алюминию.

10. Компонент (1) из жаропрочного сплава по п.9, отличающийся тем, что содержание кремния, по меньшей мере, в одном слое составляет от 1 до 40 мас.% в расчете на массу компонентов слоя.