ГРАНИЧНЫЙ БАРЬЕРНЫЙ ДЛЯ ДИФФУЗИИ СЛОЙ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ИРИДИЙ, НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ Российский патент 2015 года по МПК C23C28/02 F01D5/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Раскрытие сущности изобретения относится к покрытиям для подложек из сверхсплавов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Газотурбинные двигатели (ГТД) включают в себя лопатки компрессора, которые вращаются, чтобы сжать входящие газы, и лопатки турбины, которые вращаются, чтобы использовать энергию от расширения выходящих газов. Лопатки газовой турбины крепятся к дискам газовой турбины. Диски газовой турбины вращаются с лопатками газовой турбины и могут испытывать пиковые нагрузки сверх примерно 1000 мегапаскалей (МПа) из-за центробежной нагрузки от лопаток газовой турбины и веса самих дисков газовой турбины.

В некоторых случаях диски газовой турбины не могут непосредственно подвергаться воздействию потока горячих газов в ГТД. Таким образом, в некоторых осуществлениях максимальные поверхностные температуры дисков газовой турбины могут быть примерно 650°C. Термическая и механическая нагрузки, воздействию которых подвергаются диски газовой турбины, предписывают конструктивные критерии, которым могут удовлетворять сплавы, которые образуют диски газовой турбины. Эти конструктивные критерии включают в себя относительно высокие предел текучести и предел прочности на разрыв, чтобы сдерживать текучесть и разрушение диска газовой турбины, относительно высокую вязкость и трещиностойкость, чтобы придавать определенные допуски по дефектам, относительно высокую стойкость к инициированию усталостных трещин и относительно низкие скорости распространения усталостных трещин. В некоторых осуществлениях диски газовой турбины могут быть образованы из сверхсплавов на основе никеля (Ni), которые могут удовлетворять, по меньшей мере, некоторым из конструктивных критериев.

В некоторых примерах лопатки компрессора могут быть неотъемлемой частью диска газовой турбины. В таких случаях отдельно снабженные лопатками и выполненные за одно целое с лопатками диски газовой турбины могут испытывать на практике подобные рабочие температуры и термические и механические нагрузки и, таким образом, могут иметь подобные конструктивные критерии материала.

В поиске большей реальной эффективности, поскольку рабочие температуры ГТД увеличиваются, поверхностные температуры диска газовой турбины могут повышаться. Поскольку максимальные поверхностные температуры диска газовой турбины повышаются свыше 700°C, скорее всего, может возникнуть окислительная и/или высокотемпературная коррозия поверхности диска газовой турбины. Окислительная и/или высокотемпературная коррозия может изменить химический состав, фазовый состав и/или получающуюся микроструктуру области поверхности диска газовой турбины. Это может оказывать влияние на получающиеся механические характеристики диска газовой турбины, поскольку на механические характеристики могут оказывать влияние химический состав, фазовый состав, а также микроструктура сплава. Таким образом, есть некоторые примеры, что диск газовой турбины включает в себя покрытие, которое обеспечивает стойкость против окислительной или высокотемпературной коррозии поверхности диска газовой турбины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Раскрытие сущности изобретения описывает изделие, которое включает в себя подложку, барьерный для диффузии слой, образованный на подложке, а также защитный слой, образованный на барьерном для диффузии слое, и технологии для формирования такого изделия. Барьерный для диффузии слой может уменьшать диффузию элементов между защитным слоем и подложкой, и/или между подложкой и защитным слоем. В некоторых примерах это может помогать поддерживать химический состав, фазовый состав и/или микроструктуру защитного слоя и/или подложки, которые могут помогать поддерживать свойства защитного слоя и/или подложки.

Барьерный для диффузии слой может включать в себя иридий (Ir). В некоторых примерах барьерный для диффузии слой непосредственно после осаждения состоит по существу из Ir. В некоторых примерах барьерный для диффузии слой непосредственно после осаждения может дополнительно включать в себя, по меньшей мере, один из кремния (Si), хрома (Cr), платины (Pt), рения (Re), рутения (Ru) или родия (Rh).

В одном аспекте раскрытие относится к изделию, которое включает в себя подложку, барьерный для диффузии слой, образованный на подложке, а также защитный слой, образованный на барьерном для диффузии слое. В соответствии с одним аспектом раскрытия барьерный для диффузии слой включает в себя иридий.

В другом аспекте раскрытие относится к способу, который включает в себя образование барьерного для диффузии слоя на подложке и образование защитного слоя на барьерном для диффузии слое. В соответствии с аспектом раскрытия, барьерный для диффузии слой включает в себя иридий.

Подробности одного или более примеров раскрытия представлены в прилагающихся чертежах и ниже в описании. Другие признаки, предметы, а также преимущества раскрытия будут очевидны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой концептуальную диаграмму, иллюстрирующую вид поперечного сечения изделия из примера, которое включает в себя подложку, барьерный для диффузии слой, а также защитный слой.

Фиг.2 представляет собой микрофотографию поперечного сечения изделия из примера, которое включает в себя подложку, барьерный для диффузии слой, образованный на подложке, а также защитный слой, образованный на барьерном для диффузии слое.

Фиг.3 представляет собой микрофотографию поперечного сечения изделия из примера, которое включает в себя подложку, барьерный для диффузии слой, образованный на подложке, защитный слой, образованный на барьерном для диффузии слое, а также окалину, образованную на барьерном для диффузии слое.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Как описано выше, диск газовой турбины может включать в себя подложку и защитный слой на поверхности подложки, который может обеспечивать стойкость против окислительной или высокотемпературной коррозии поверхности подложки. Однако в некоторых примерах взаимная диффузия элемента или элементов между подложкой и защитным слоем может вредно влиять на свойства подложки и/или защитного слоя. Например, подложка может включать сверхсплав на Ni-основе, который включает в себя дополнительные элементы, такие как титан (Ti), кобальт (Co) или алюминий (Al), которые благотворно влияют на свойства подложки. Однако диффузия Ti или Co из подложки к защитному слою может неблагоприятно влиять на защиту от окисления и коррозии, придаваемую подложке защитным слоем. Диффузия Al из подложки в защитный слой может снизить содержание Al, по меньшей мере, в части подложки, которое может давать в результате уменьшенную объемную долевую концентрацию гамма-прим (γ') фазы в части подложки. Уменьшенная объемная долевая концентрация γ' фазы может неблагоприятно влиять на механические свойства подложки.

С другой стороны, диффузия элементов из защитного слоя к подложке может уменьшать действенность защитного слоя. Например, защитный слой может включать в себя Cr, Al или гафний (Hf), которые могут реагировать с кислородом с образованием по существу инертных оксидов, которые образуют плотно прилегающую окалину (или оксидный слой) на защитном слое и уменьшают или по существу предотвращают окисление нижележащих слоев (например, подложки). Диффузия элементов, таких как Al, Cr или Hf, из защитного слоя может уменьшать количество этих элементов, присутствующих в защитном слое и имеющих возможность реагировать с кислородом, чтобы образовать окалину.

Вдобавок, в некоторых примерах диффузия элементов из подложки к защитному слою или из защитного слоя к подложке может приводить к образованию дополнительных фаз или слоев во время длительного воздействия высоких температур, такого как тысячи часов около 700°C, сотни часов около 750°C или десятки часов около 800°C. Например, хрупкая и/или ненапряженная деформируемая фаза может образоваться в защитном слое во время воздействия высоких температур, которая может неблагоприятно отразиться на эксплуатационных качествах защитного слоя. Один пример хрупкой и/или ненапряженной деформируемой фазы включает в себя топологически плотноупакованную фазу, которая может образоваться из хрома и тугоплавкого элемента, такого как молибден (Mo) или вольфрам (W).

В соответствии с аспектами настоящего раскрытия изделие может включать в себя барьерный для диффузии слой между подложкой и защитным слоем. Барьерный для диффузии слой может уменьшать или по существу предотвращать диффузию между подложкой и защитным слоем и/или между защитным слоем и подложкой. В некоторых примерах это может уменьшать или по существу исключать одно или более из вредных влияний из-за диффузии, которая обсуждалась выше. Как описано выше, барьерный для диффузии слой включает в себя Ir или Ir-сплав.

Фиг.1 представляет собой концептуальную диаграмму, иллюстрирующую вид поперечного сечения изделия 10 из примера, которое включает в себя подложку 12 с нанесенным покрытием 14. В примере, иллюстрированном на фиг.1, покрытие 14 включает в себя барьерный для диффузии слой 16, образованный на подложке 12, и защитный слой 18, образованный на барьерном для диффузии слое 16.

Подложка 12 может включать в себя сверхсплав, такой как сверхсплав на Ni-основе или Co-основе. В некоторых примерах подложка 12 включает в себя сплав на Ni-основе, подходящей для использования в диске газовой турбины или разделителе газовой турбины. Как описано выше, сверхсплав, из которого образуют диск газовой турбины, может удовлетворять определенным конструктивным критериям, включающим в себя, например, относительно высокий предел текучести и предел прочности на разрыв, чтобы сдерживать пластичность и разрушение диска газовой турбины, относительно высокую вязкость и трещиностойкость, чтобы придавать определенные допуски по дефектам, относительно высокую стойкость к инициированию усталостных трещин, а также относительно низкие скорости распространения усталостных трещин.

Свойства сверхсплава, из которого образована подложка 12, могут быть функцией состава сверхсплава и фазового состава и микроструктуры сверхсплава. Микроструктура сверхсплава может включать в себя размер зерна сверхсплава и состав выделившейся фазы, размер, а также объемную долевую концентрацию. В некоторых примерах на фазовый состав и микроструктуру сверхсплава можно оказывать влияние посредством механической и термической обработки сверхсплава. Например, термическая обработка, например тепловая обработка, сверхсплава может оказывать влияние на структуру зерна сверхсплава, размер и/или состав выделившейся фазы или подобное.

В некоторых примерах подложка 12 включает в себя поликристаллический сверхсплав на Ni-основе, который включает в себя множество зерен. Подложка может включать в себя, по меньшей мере, одно из Al, Ti и Та вдобавок к Ni. В некоторых примерах концентрации элементов, такие как в пределах примерно 2 весовых процента (вес.%) и примерно 5 вес.% Al, в пределах примерно 2 вес.% и 5 вес.% Ti, а также менее чем примерно 3 вес.% тантала (Та), в подложке 12 могут быть достаточными, чтобы дать в результате гамма-прим (γ') выделившуюся фазу в подложке 12. Например, концентрация Al, Ti и/или Та в подложке 12 может дать в результате объемную долевую концентрацию γ' выделившейся фазы в пределах примерно 40 объемных процентов (об.%) и примерно 55 об.%. В некоторых случаях могут быть использованы более высокие или более низкие элементные содержания отдельных гамма-прим образующих элементов при поддержании суммарной доли гамма-прим фазы на желательных уровнях для характеристик, таких как прочность и вязкость. На объемную долевую концентрацию, размер, а также распределение γ' выделившейся фазы могут влиять состав сплава, температура тепловой обработки, длительность тепловой обработки, а также скорость охлаждения во время тепловой обработки. Вдобавок, подложка 12 может включать в себя зерна размерами между примерно 5 микрометрами (мкм) в диаметре до между примерно 30 мкм и примерно 50 мкм или более в диаметре, полученные для комбинации предела текучести, стойкости к инициированию усталостных трещин, предела ползучести, а также сопротивления росту усталостных трещин. В некоторых примерах подложка 12 может включать в себя дополнительные элементы, которые выделяются по границам зерен подложки 12. Выделяющиеся элементы могут оказывать влияние на сопротивление ползучести и сопротивление малоцикловой усталости подложки 12. Примеры выделяющихся элементов включают в себя бор (B; вплоть до примерно 0,03 весовых процента (вес.%) подложки 12), углерод (C; вплоть до примерно 0,05 вес.% подложки 12) и цирконий (Zr; вплоть до примерно 0,1 вес.% подложки 12). Примеры составов и технологий тепловой обработки, которые могут давать в результате подходящие для дисков сплавы на Ni-основе, описаны в заявке на патент США с серийным № 12/755170, озаглавленной "TECHNIQUES FOR CONTROLLING PRECIPITATE PHASE DOMAIN SIZE IN AN ALLOY" и поданной 6 апреля 2010 г., полное содержание которой включено в настоящее описание посредством этой ссылки.

В примере подложка 12 может включать в себя сверхсплав на Ni-основе с составом примерно 15 вес.% Cr, примерно 18,5 вес.% Co, примерно 5 вес.% Mo, примерно 3 вес.% Al, примерно 3,6 вес.% Ti, примерно 2 вес.% Ta, примерно 0,5 вес.% Hf, примерно 0,06 вес.% Zr, примерно 0,027 вес.% C, примерно 0,015 вес.% B, а остальное - Ni (примерно 52,3 вес.% Ni).

Покрытие 14 образуется на поверхности 20 подложки 12 и включает в себя барьерный для диффузии слой 16 и защитный слой 18. Защитный слой 18 может включать в себя элемент или элементы, которые придают подложке 12 защиту от неблагоприятных внешних воздействий горячих газов и химических частиц в среде газовой турбины. Например, защитный слой 18 может обеспечивать защиту от коррозии окислительной и/или в горячем состоянии подложки 12. В некоторых примерах элемент или элементы в защитном слое 18 могут образовывать оксидный слой, который прилипает к защитному слою 18 и/или барьерному для диффузии слою 16 (если, например, защитный слой истощается образованием оксидного слоя). В некоторых примерах оксидный слой может включать в себя оксид алюминия (оксид алюминия; Al₂O₃), оксид хрома (оксид хрома; Cr₂O₃) или оксид хрома и оксид алюминия. Соответственно, в некоторых примерах защитный слой 18 включает в себя, по меньшей мере, одно из алюминия или хрома. В примере защитный слой 18 может включать NiFeCrMnSi сплав с номинальным составом примерно 30 вес.% Cr, 30 вес.% железа (Fe), 1 вес.% марганца (Mn), 1 вес.% кремния (Si), а остальное - Ni (примерно 38 вес.% Ni).

Защитный слой 18 может быть нанесен с использованием, например, направленного физического осаждения из паровой фазы (DVD), электроосаждения или электроосаждения нанопокрытий. Любые из этих технологий могут способствовать осаждению единственного или многочисленных слоев материала с регулируемым составом и толщиной. В некоторых примерах защитный слой 18 может осаждаться при температурах ниже температуры примерно 800°C, что могло дать в результате изменения микроструктуры в подложке 12. Это может позволить защитному слою образоваться на барьерном для диффузии слое 16 по существу без оказания воздействия на физические свойства подложки 12.

Барьерный для диффузии слой 16 включает в себя состав, который уменьшает диффузию между подложкой 12 и защитным слоем 18 и/или между защитным слоем 18 и подложкой 12. Например, барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя Ir или Ir-сплав (и может включать в себя элементы кроме тех, которые перечислены и описаны как присутствующие в барьерном слое 16). В некоторых примерах, если наносится, барьерный для диффузии слой 16 может состоять по существу из Ir; то есть барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя Ir и элементы, которые существенно не оказывают воздействия на основные и новые характеристики барьерного для диффузии слоя 16, когда барьерный для диффузии слой 16 первоначально образуется на подложке 12. В других примерах, если наносится, то барьерный для диффузии слой 16 может состоять по существу из Ir-сплава; то есть барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя элементы, заданные в Ir-сплаве, и элементы, которые существенно не оказывают влияния на основные и новые характеристики барьерного для диффузии слоя 16, когда барьерный для диффузии слой образуется на подложке 12. В других примерах барьерный для диффузии слой 16 может состоять из Ir или Ir-сплава, когда первоначально образуется на подложке 12.

В некоторых примерах барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя различные сплавы Ir и других элементов. Например, барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя сплав Ir и Cr. В качестве другого примера барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя сплав Ir и Si. В качестве другого примера барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя сплав Ir и, по меньшей мере, одного дополнительного металла платиновой группы, такого как Pt, Pd, Re, Ru или Rh. В некоторых примерах барьерный для диффузии слой 16 может включать в себя сплав Ir, Cr и Si или сплав Ir, Cr, Si и, по меньшей мере, один из Pt, Pd, Re, Ru или Rh. Как описано выше, если первоначально образовался на подложке 12, барьерный для диффузии слой 16 может включать, по существу состоять из, или состоять из любого из сплавов, описанных здесь. Обычно, состав барьерного для диффузии слоя 16 может быть выбран так, чтобы быть химически стабильным на поверхности раздела между подложкой 12 и барьерным для диффузии слоем 16 (например, поверхность 20).

В некоторых примерах, в которых барьерный для диффузии слой 16 включает в себя Ir-сплав, Ir-сплав может включать в себя преобладание Ir. Другими словами, Ir-сплав может включать в себя больше Ir, чем любого другого единственного элемента в сплаве, определенного на основе веса. В других примерах Ir-сплав может не включать в себя преобладание Ir, например, сплав может включать в себя другой элемент в количестве, большем, чем количество Ir.

В некоторых примерах Ir-сплав может включать в себя большую часть Ir. Большая часть Ir означает больше, чем 50 вес.%. В других примерах Ir-сплав может не включать большую часть Ir, например, сплав может включать в себя другие элементы в суммарном количестве, большем, чем количество Ir.

Пример Ir-состава, который может быть использован в барьерном для диффузии слое 16, заключается между примерно 10 вес.% и примерно 40 вес.% Ir, между примерно 26,2 вес.% и примерно 65 вес.% Ni, между примерно 15 вес.% и примерно 30 вес.% Fe, между примерно 10 вес.% и примерно 30 вес.% Cr, менее чем примерно 1 вес.% Mn, менее чем примерно 2 вес.% Al и менее чем примерно 0,8 вес.% Si.

Барьерный для диффузии слой 16 может быть образован на подложке 12 с использованием, например, направленного физического осаждения из паровой фазы (DVD), электроосаждения или электроосаждения нанопокрытий. Любая из этих технологий может способствовать осаждению единственного или многочисленных слоев материала с регулируемым составом и толщиной. В этих примерах барьерный для диффузии слой 16 может быть осажден при температурах ниже температуры, которая могла бы дать в результате изменения в подложке 12. Это может позволить барьерному для диффузии слою 16 образоваться на подложке 12 по существу без оказания воздействия на физические свойства подложки 12. В некоторых примерах барьерный для диффузии слой 16 и защитный слой 18 могут осаждаться с использованием той же технологии, наряду с тем, что в других примерах барьерный для диффузии слой 16 и защитный слой 18 могут осаждаться с использованием различных технологий.

Покрытие 14 может иметь суммарную толщину в пределах примерно 0,00025 дюйма (примерно 6,35 мкм) и примерно 0,005 дюйма (примерно 127 мкм). Суммарная толщина покрытия 14 включает в себя толщину обоих барьерного для диффузии слоя 16 и защитного слоя 18. Суммарная толщина покрытия 14 может быть измерена по существу перпендикулярно к поверхности 20 подложки 12, на которой образуется покрытие 14. В некоторых примерах покрытие 14 может иметь суммарную толщину в пределах примерно 0,0005 дюйма (примерно 12,7 мкм) и примерно 0,0015 дюйма (примерно 38,1 мкм).

Толщина барьерного для диффузии слоя 16 может быть в пределах примерно 5% и примерно 50% от суммарной толщины покрытия 14. В некоторых примерах барьерный для диффузии слой 16 может иметь толщину в пределах примерно 10% и примерно 30% от суммарной толщины покрытия 14. В примерах диапазоны толщины барьерного для диффузии слоя 16 составляют: в пределах примерно 0,0000125 дюйма (примерно 0,3175 мкм) и примерно 0,000125 дюйма (примерно 3,175 мкм); в пределах примерно 0,000025 дюйма (примерно 0,635 мкм) и примерно 0,000075 дюйма (примерно 1,905 мкм); в пределах примерно 0,00025 дюйма (примерно 6,35 мкм) и примерно 0,0025 дюйма (примерно 63,5 мкм); и в пределах примерно 0,0005 дюйма (примерно 12,7 мкм) и примерно 0,0015 дюйма (примерно 38,1 мкм); в пределах примерно 0,0000125 дюйма (примерно 0,3175 мкм) и примерно 0,0025 дюйма (примерно 63,5 мкм); и в пределах примерно 0,000025 дюйма (примерно 0,635 мкм) и примерно 0,0015 дюйма (примерно 38,1 мкм). Другие диапазоны толщины барьерного для диффузии слоя 16 из примеров составляют: в пределах примерно 0,000025 дюйма (примерно 0,635 мкм) и примерно 0,00025 дюйма (примерно 6,35 мкм); в пределах примерно 0,00005 дюйма (примерно 1,27 мкм) и примерно 0,00015 дюйма (примерно 3,81 мкм); в пределах примерно 0,000075 дюйма (примерно 1,905 мкм) и примерно 0,00075 дюйма (примерно 19,05 мкм); в пределах примерно 0,00015 дюйма (примерно 3,81 мкм) и примерно 0,00045 дюйма (примерно 11,43 мкм); в пределах примерно 0,000025 дюйма (примерно 0,635 мкм) и примерно 0,00075 дюйма (19,05 мкм); и в пределах примерно 0,00005 дюйма (примерно 1,27 мкм) и примерно 0,00045 дюйма (примерно 11,43 мкм). Диапазоны толщины покрытия 14 и барьерного для диффузии слоя 16, перечисленные здесь, являются просто примерами, а другие толщины покрытия 14 и/или барьерного для диффузии слоя 16 могут использоваться и подпадают под объем настоящего изобретения.

Хотя упомянутый ранее пример относился к изделию 10, которое включает единственный барьерный для диффузии слой 16 и единственный защитный слой 18, в некоторых примерах изделие может включать в себя, по меньшей мере, два барьерных для диффузии слоя и/или, по меньшей мере, два защитных слоя. В некоторых примерах, по меньшей мере, два барьерных для диффузии слоя могут включать в себя различные составы, и/или, по меньшей мере, два защитных слоя могут включать в себя различные составы. Например, первый барьерный для диффузии слой, который образуется на подложке, может включать в себя первый состав, и второй барьерный для диффузии слой, который образуется на первом барьерном для диффузии слое, может включать в себя второй состав. В некоторых примерах первый состав может быть химически и/или механически более совместимым с подложкой, чем второй состав. Аналогично, второй состав может быть химически и/или механически более совместим с защитным слоем, чем первый состав.

В некоторых примерах вместо, или вдобавок к включению, по меньшей мере, двух барьерных для диффузии слоев и/или, по меньшей мере, двух защитных слоев изделие может включать в себя слой с градиентом состава между двумя смежными слоями. Например, изделие 10 может включать в себя слой с градиентом состава между подложкой 12 и барьерным для диффузии слоем 16, и/или между барьерным для диффузии слоем 16 и защитным слоем 18. В некоторых примерах слой с градиентом состава может быть по существу сплошным, таким, что слой с градиентом имеет состав, подобный подложке 12, около подложки 12 и имеет состав, подобный барьерному для диффузии слою 16, около барьерного для диффузии слоя 16, с постепенным изменением в составе по всему слою с градиентом. В других примерах слой с градиентом состава может включать в себя многочисленные по своему составу отличающиеся подслои, которые постепенно имеют различные составы. Состав подслоя, наиближайшего к подложке 12, может быть более подобным составу подложки 12, наряду с тем, что состав подслоя, ближайшего к барьерному для диффузии слою 16, может быть более подобным составу барьерного для диффузии слоя 16.

ПРИМЕРЫ

Сравнительный пример 1

Каждую из набора легированных подложек покрыли защитным слоем, имеющим толщину примерно 25 мкм. Использовали DVD для нанесения защитного слоя, который был плотным и по существу однородным по микроструктуре. DVD-процесс использовал электронно-лучевую пушку с 70 кВ и 10 кВт, с высокой частотой сканирования и активацией плазмой с полым катодом, с подложкой, наклоненной для повышения плотности покрытия. Номинальный состав подложки был 15 вес.% Cr, примерно 18,5 вес.% Co, примерно 5 вес.% Mo, примерно 3 вес.% Al, примерно 3,6 вес.% Ti, примерно 2 вес.% Та, примерно 0,5 вес.% Hf, примерно 0,06 вес.% Zr, примерно 0,027 вес.% C, примерно 0,015 вес.% B, а остальное - Ni. Номинальный состав защитного слоя был 30 вес.% Cr, 30 вес.% Fe, 1 вес.% Mn, 1 вес.% Si, а остальное - Ni.

Образцы подвергали воздействию температуры 800°C в течение 300 часов в воздушной атмосфере. Образовывалась однофазная окалина Cr₂O₃ на поверхности защитного слоя. Средний состав защитного слоя определяли, используя сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) с дисперсионной рентгеновской спектрометрией (EDS) (energy dispersive x-rayspectrometry) после подвергания воздействию высокой температуры, и защитный слой включал в себя примерно 10,6 вес.% Co, который диффундировал из подложки.

Пример 1

Каждую из набора легированных подложек покрыли барьерным для диффузии слоем толщиной 10 мкм, состоящим из Ir. Использовали DVD для нанесения барьерного для диффузии слоя, который был плотным и по существу однородным по микроструктуре. DVD-процесс использовал электронно-лучевую пушку с 70 кВ и 10 кВт, с высокой частотой сканирования и активацией плазмой с полым катодом, с подложкой, наклоненной для повышения плотности покрытия. DVD также использовали для осаждения защитного слоя, имеющего толщину примерно 25 мкм на барьерном для диффузии слое. Номинальный состав подложки был 15 вес.% Cr, примерно 18,5 вес.% Co, примерно 5 вес.% Mo, примерно 3 вес.% Al, примерно 3,6 вес.% Ti, примерно 2 вес.% Та, примерно 0,5 вес.% Hf, примерно 0,06 вес.% Zr, примерно 0,027 вес.% C, примерно 0,015 вес.% B, а остальное - Ni. Номинальный состав защитного слоя был 30 вес.% Cr, 30 вес.% Fe, 1 вес.% Mn, 1 вес.% Si, а остальное - Ni. Фиг.2 представляет собой микрофотографию поперечного сечения из примера для набора легированных подложек, которая иллюстрирует подложку 22, барьерный для диффузии слой 24, образованный на подложке 22, а также защитный слой 26, образованный на барьерном для диффузии слое 24.

Образцы подвергали воздействию температуры 800°C в течение 300 часов в воздушной атмосфере. Фиг.3 представляет собой микрофотографию поперечного сечения из примера для набора легированных подложек, которая иллюстрирует окалину 28, образованную на защитном слое 26. К тому же, фиг.3 показывает, что Ir из барьерного для диффузии слоя 24 диффундировал в подложку 22 и защитный слой 26. Средний состав защитного слоя 26 определяли, используя СЭМ с EDS после подвергания воздействию высокой температуры, и защитный слой 26 включал в себя примерно 3,7 вес.% Co, который диффундировал из подложки 22. Это ниже, чем среднее количество Co в защитном слое 26 в отсутствие барьерного для диффузии слоя 24.

Пример 2

Испытания на высокотемпературную коррозию типа II проводили на покрытых подложках, которые получили этап предварительного окисления со 100-часовой выдержкой при 800°C. Номинальный состав подложки был 15 вес.% Cr, примерно 18,5 вес.% Co, примерно 5 вес.% Mo, примерно 3 вес.% Al, примерно 3,6 вес.% Ti, примерно 2 вес.% Та, примерно 0,5 вес.% Hf, примерно 0,06 вес.% Zr, примерно 0,027 вес.% C, примерно 0,015 вес.% B, а остальное - Ni. Номинальный состав защитного слоя был 30 вес.% Cr, 30 вес.% Fe, 1 вес.% Mn, 1 вес.% Si, а остальное - Ni. Барьерный для диффузии слой состоял из Ir и был 10 мкм при осаждении. Опытные образцы выдерживали при 700°C в потоке воздуха, содержащего 300 млн^-1 SO₂, с 20-часовыми интервалами, между которыми применяли солевой раствор с концентрацией 0,075 мг/см² при комнатной температуре к покрытым сторонам. После суммарной 100-часовой выдержки при 700°C покрытия показали, что нет доказательств вредного воздействия высокотемпературной коррозии в условиях типа II. Плотная и приросшая окалина Cr₂O₃ обеспечивала достаточный барьер против ухудшения окружающей среды в течение всего испытательного периода. Покрытие с Ir-барьером, как ожидали, сохраняет свою стойкость к коррозии в течение более долгого времени, чем покрытие без Ir-барьера, потому что миграция кобальта в защитное покрытие замедляется или уменьшается.

Были описаны различные примеры. Эти и другие примеры заключены в объеме следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к покрытиям для подложек из суперсплавов и может быть использовано для изделия, выполненного в виде диска или разделителя газовой турбины. Указанное изделие содержит подложку из суперсплава на никелевой основе, содержащую в пределах от 2 вес.% до 5 вес.% алюминия и в пределах от 2 вес.% до 5 вес.% титана, при этом подложка из суперсплава на никелевой основе содержит в пределах от 40 об.% до 55 об.% γ′ выделившейся фазы, барьерный для диффузии слой на подложке, содержащий по большей части иридий, и защитный слой на барьерном для диффузии слое, содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из алюминия или хрома. Способ получения стойкого к высокотемпературной коррозии покрытия на упомянутом изделии включает нанесение барьерного для диффузии слоя на упомянутую подложку из суперсплава на основе никеля и нанесение на барьерный для диффузии слой защитного слоя. Обеспечивается стойкость против окислительной или высокотемпературной коррозии поверхности подложки. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 пр.

1. Изделие, выполненное в виде диска или разделителя газовой турбины, содержащее подложку из суперсплава на никелевой основе, содержащую в пределах от 2 вес.% до 5 вес.% алюминия и в пределах от 2 вес.% до 5 вес.% титана, при этом подложка из суперсплава на никелевой основе содержит в пределах от 40 об.% до 55 об.% γ′ выделившейся фазы, барьерный для диффузии слой на подложке, при этом барьерный для диффузии слой содержит по большей части иридий, и защитный слой на барьерном для диффузии слое, содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из алюминия или хрома.

2. Изделие по п. 1, в котором барьерный для диффузии слой сформирован для уменьшения диффузии между по меньшей мере одним из подложки и защитного слоя или защитного слоя и подложки.

3. Изделие по п. 1, в котором барьерный для диффузии слой состоит из иридия.

4. Изделие по п. 1, в котором защитный слой содержит 30 вес.% хрома, 30 вес.% железа, 1 вес.% марганца, 1 вес.% кремния и никель - остальное.

5. Изделие по п. 1, дополнительно содержащее окалину на защитном слое, при этом окалина содержит оксид по меньшей мере одного элемента, выбранного из алюминия или хрома.

6. Изделие по п. 1, в котором барьерный для диффузии слой дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из хрома или кремния.

7. Изделие по п. 1, в котором барьерный для диффузии слой дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из платины, палладия, рения, рутения или родия.

8. Изделие по п. 1, в котором толщина барьерного для диффузии слоя и защитного слоя, измеренная в направлении, перпендикулярном к поверхности подложки, на которой образуются барьерный для диффузии слой и защитный слой, составляет между 6,35 мкм и 127 мкм.

9. Изделие по п. 8, в котором толщина барьерного для диффузии слоя составляет между 5% и 50% от толщины барьерного для диффузии слоя и защитного слоя.

10. Изделие по п. 1, в котором барьерный для диффузии слой непосредственно после осаждения является свободным от элементов, которые являются вредными для стойкости защитного слоя против окислительной или высокотемпературной коррозии.

11. Изделие по п. 10, в котором элементы, которые являются вредными для стойкости защитного слоя против окислительной или высокотемпературной коррозии, представляют собой Ti и Со.

12. Изделие по п. 1, в котором подложка содержит 15 вес.% хрома, приблизительно 18,5 вес.% кобальта, приблизительно 5 вес.% молибдена, приблизительно 3 вес.% алюминия, приблизительно 3,6 вес.% титана, приблизительно 2 вес.% тантала, приблизительно 0,5 вес.% гафния, приблизительно 0,06 вес.% циркония, приблизительно 0,027 вес.% углерода, приблизительно 0,015 вес.% бора и никель - остальное.

13. Способ получения стойкого к высокотемпературной коррозии покрытия на изделии, выполненном в виде диска или разделителя газовой турбины, включающий нанесение барьерного для диффузии слоя на подложку из суперсплава на основе никеля, причем барьерный для диффузии слой содержит по большей части Ir, при этом суперсплав на основе никеля содержит в пределах от 2 вес.% до 5 вес.% алюминия и в пределах от 2 вес.% до 5 вес.% титана, при этом подложка из суперсплава на никелевой основе содержит в пределах от 40 об.% до 55 об.% γ′ выделившейся фазы, и нанесение на барьерный для диффузии слой защитного слоя, содержащего по меньшей мере один элемент, выбранный из алюминия или хрома.

14. Способ по п. 13, в котором барьерный для диффузии слой формируют для уменьшения диффузии между по меньшей мере одним из подложки и защитного слоя или защитного слоя и подложки.

15. Способ по п. 13, в котором барьерный для диффузии слой состоит из иридия.

16. Способ по п. 13, в котором защитный слой содержит 30 вес.% хрома, 30 вес.% железа, 1 вес.% марганца, 1 вес.% кремния и никель - остальное.

17. Способ по п. 13, дополнительно включающий образование окалины на защитном слое, при этом окалина содержит по меньшей мере один из оксида алюминия или оксида хрома.

18. Способ по п. 13, в котором барьерный для диффузии слой дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из хрома или кремния.

19. Способ по п. 13, в котором барьерный для диффузии слой дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из платины, палладия, рения, рутения или родия.

20. Способ по п. 13, в котором толщина барьерного для диффузии слоя и защитного слоя, измеренная в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, на которой образуются барьерный для диффузии слой и защитный слой, составляет между 6,35 мкм и 127 мкм.

21. Способ по п. 20, в котором толщина барьерного для диффузии слоя составляет между 5% и 50% от толщины барьерного для диффузии слоя и защитного слоя.

22. Способ по п. 13, в котором барьерный для диффузии слой свободен от Ti и Со.

23. Способ по п. 13, в котором подложка содержит 15 вес.% хрома, приблизительно 18,5 вес.% кобальта, приблизительно 5 вес.% молибдена, приблизительно 3 вес.% алюминия, приблизительно 3,6 вес.% титана, приблизительно 2 вес.% тантала, приблизительно 0,5 вес.% гафния, приблизительно 0,06 вес.% циркония, приблизительно 0,027 вес.% углерода, приблизительно 0,015 вес.% бора и никель - остальное.

24. Способ по п. 13, в котором нанесение барьерного для диффузии слоя на подложку осуществляют, используя по меньшей мере одну методику, выбранную из направленного физического осаждения из паровой фазы, электроосаждения или электроосаждения нанопокрытия.

25. Способ по п. 13, в котором нанесение защитного слоя на барьерный для диффузии слой осуществляют, используя по меньшей мере одну методику, выбранную из направленного физического осаждения из паровой фазы, электроосаждения или электроосаждения нанопокрытия.