СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Российский патент 2016 года по МПК C23C4/10 B82B3/00 C23C4/12 C23C14/16 C23C14/35 

Описание патента на изобретение RU2588956C2

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих достаточно высокое значение адгезии и когезии.

В настоящее время при создании покрытия с заданными свойствами методом послойного напыления образуются межфазные макроскопические границы в плоскостях, параллельных обрабатываемой поверхности, и при циклических термонагрузках разница в значениях коэффициентов термического расширения может привести к расслоению покрытия и его разрушению.

Известен способ напыления теплозащитного покрытия с использованием оксида циркония, стабилизированного Y2 O3, включающий послойное нанесение покрытия на изделие (Патент US 6180184, C23C 4/10, 30.01.2001 - прототип).

Согласно этому способу получают термобарьерное покрытие из жаропрочных сплавов, стабилизированных иттрием оксида циркония, которое послойно наносят с помощью вакуумного электронно-лучевого напыления. При этом получают покрытие, имеющее столбчатую структуру, проявляющуюся в одном или нескольких слоях.

Недостатком способа является возможность получения сквозной пористости, приводящей к коррозии подложки и к разрушению покрытия. Кроме этого в процессе послойного напыления образуются межфазные границы в плоскостях, параллельных поверхности, и при циклических термонагрузках разница в значениях коэффициентов термического расширения может привести к расслоению покрытия и его разрушению.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и создание способа нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксидному покрытию без межфазной границы макроскопического размера.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе обработки рабочих поверхностей деталей газотурбинных установок, включающем нанесение защитного оксидного покрытия на предварительно механически обработанные и подготовленные поверхности деталей, последующее формирование на металлической поверхности композитной структуры металл-оксид при совместном реактивном распылении металлов, согласно изобретению в наносимом покрытии создают градиентный переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, которую и диэлектрическую фазу, преимущественно оксид циркония различной стехиометрии, которую наносят на упомянутую металлическую фазу, при этом соотношение фаз в переходном слое изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки, обеспечивая при этом плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера, при этом для создания упомянутого градиентного переходного слоя используют магнетронную систему с двумя магнетронами, причем при помощи первого магнетрона распыляют мишень с металлическим сплавом, состав которого соответствует составу металлического изделия, и преимущественно содержащую никель, а при помощи второго магнетрона распыляют мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, преимущественно иттрия, причем первоначальное распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, что интенсивность атомного потока, сформированного от первой никелевой мишени, превышает интенсивность атомного потока от циркониевой мишени, при этом после формирования первичного сплошного металлического слоя в рабочую камеру добавляют кислород и придают процессу напыления характер реактивного, с образованием в напыляемой пленке оксида циркония при неокисленном никеле, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до давления порядка 1,5*10-3 Па, а мощность первого магнетрона, распыляющего мишень с металлическим сплавом, уменьшают вплоть до его полного отключения, после чего продолжают напыление чистого оксида циркония до достижения им требуемой толщины, обеспечивая при этом требуемую наноструктурированность получаемого покрытия.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Для повышения адгезионной прочности покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, напыляемого на рабочие поверхности деталей газотурбинных установок, создают переходной слой из градиентного нанокомпозитного материала, содержащего две фазы: металлическую фазу с составом, соответствующим составу защищаемой поверхности, и диэлектрическую фазу, собственно оксид циркония различной стехиометрии. Соотношение фаз в переходном слое обеспечивают не постоянным, а переменным, при этом его изменяют с возрастанием доли оксидной фазы по мере увеличения толщины пленки. В результате создания такого градиентного слоя формируется плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.

Для создания указанного градиентного переходного слоя используется магнетронная система с двумя магнетронами. Первый магнетрон распыляет мишень, состав которой соответствует составу металлического изделия, например, никелевый сплав ХН71МТЮБ, а второй магнетрон распыляет мишень из циркония с добавками стабилизирующих элементов, например иттрия. Первоначальное распыление мишеней осуществляется в атмосфере аргона, причем интенсивность атомного потока, сформированного от никелевой мишени, превышает интенсивность атомного потока от циркониевой мишени. После формирования первичного сплошного металлического слоя в рабочую камеру добавляется кислород, после чего процесс напыления приобретает характер реактивного - в напыляемой пленке начинает образовываться оксид. В силу различных значений энергий связи в оксиде никеля и оксиде циркония в формирующемся покрытии происходит образование оксида циркония, в то время как никель остается неокисленным.

Таким образом, в результате одновременного распыления никелевого сплава и циркония в смешанной кислородно-аргонной атмосфере происходит напыление композитного материала металл-оксид. В процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивается до давления порядка 1,5*10-3 Па, а мощность магнетрона, распыляющего металлический сплав, уменьшается вплоть до его полного отключения. После этого продолжается напыление чистого оксида циркония до достижения им требуемой толщины.

В этом случае формируемый градиентный слой является не только композитным, но и наноструктурированным, поскольку характерные размеры включений каждой фазы составляют от единиц до нескольких десятков нанометров, в зависимости от объемной доли фазы.

Полученная наноструктурированность не только повышает механическую прочность покрытия, но и приводит к изотропному распределению внутренних напряжений при циклических термонагрузках, что повышает жаропрочность и жаростойкость покрытия.

Использование предложенного технического решения позволит создать способ нанесения оксидного покрытия на металлическую поверхность, применение которого позволит сформировать плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера, что, в конечном итоге, позволит повысить механическую прочность покрытия и приведет к изотропному распределению внутренних напряжений при циклических термонагрузках, что позволит повысить жаропрочность и жаростойкость покрытия.

Похожие патенты RU2588956C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЛОПАСТНЫХ МАШИН 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2588973C2
Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2606815C2
СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2591024C2
Способ нанесения теплозащитного композитного покрытия, содержащего оксид циркония, на металлическую поверхность изделия 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2607055C2
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО ОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2591098C2
Теплозащитное нанокомпозитное покрытие и способ его формирования 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2606814C2
Способ формирования на рабочей поверхности детали из никелевого сплава теплозащитного нанокомпозитного покрытия 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2606826C2
Способ формирования на поверхности изделия из никелевого сплава композитного покрытия 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2607677C2
НАНОСТРУКТУРНОЕ КОМПОЗИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ИЗ ОКСИДА ЦИРКОНИЯ 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2588619C2
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ИЗ ОКСИДА ЦИРКОНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ИЗДЕЛИЯ ИЗ НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА 2014
  • Стогней Олег Владимирович
  • Валюхов Сергей Георгиевич
  • Бурыкин Валерий Евгеньевич
  • Филатов Максим Сергеевич
  • Черниченко Владимир Викторович
RU2581546C2

Реферат патента 2016 года СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок. Способ нанесения теплозащитного покрытия на рабочие поверхности детали газотурбинной установки включает нанесение плазменным напылением на предварительно подготовленные поверхности детали из сплава на основе никеля покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, причем нанесение покрытия осуществляют созданием в нем градиентного переходного слоя с помощью двух магнетронов, при этом посредством первого магнетрона распыляют первую мишень из сплава на основе никеля, состав которого соответствует составу сплава детали, а посредством второго магнетрона распыляют вторую мишень из циркония с добавками иттрия, причем сначала распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, чтобы интенсивность атомного потока, сформированного от первой мишени, превышала интенсивность атомного потока, сформированного от второй мишени, после формирования на поверхности детали сплошного металлического слоя в рабочую камеру подают кислород для формирования в напыляемом покрытии оксида циркония, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до 1,5*10-3 Па, а мощность первого магнетрона уменьшают до его полного отключения, затем продолжают напыление до формирования оксида циркония, стабилизированного иттрием, требуемой толщины. В результате получают наноструктурированное покрытие, содержащее металлическую фазу с составом, соответствующим составу сплава защищаемой поверхности детали, и фазу из оксида циркония, стабилизированного иттрием, причем доля оксидной фазы в переходном слое по мере увеличения толщины пленки возрастает, обеспечивая плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера. Изобретение направлено на формирование на рабочих поверхностях покрытий, имеющих достаточно высокое значение адгезии и когезии.

Формула изобретения RU 2 588 956 C2

Способ нанесения теплозащитного покрытия на рабочие поверхности деталей газотурбинной установки, включающий нанесение плазменным напылением на предварительно подготовленные поверхности детали из сплава на основе никеля покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, отличающийся тем, что нанесение покрытия осуществляют созданием в нем градиентного переходного слоя с помощью двух магнетронов, при этом посредством первого магнетрона распыляют первую мишень из сплава на основе никеля, состав которого соответствует составу сплава детали, а посредством второго магнетрона распыляют вторую мишень из циркония с добавками стабилизирующего элемента иттрия, причем сначала распыление мишеней осуществляют в атмосфере аргона таким образом, чтобы интенсивность атомного потока, сформированного от первой мишени, превышала интенсивность атомного потока, сформированного от второй мишени, при этом после формирования на поверхности детали сплошного металлического слоя в рабочую камеру подают кислород для формирования в напыляемом покрытии оксида циркония, при этом в процессе напыления парциальное давление кислорода плавно увеличивают до 1,5*10-3 Па, а мощность первого магнетрона уменьшают до его полного отключения, затем продолжают напыление до формирования покрытия из оксида циркония, стабилизированного иттрием, требуемой толщины, при этом получают наноструктурированное покрытие, содержащее металлическую фазу с составом, соответствующим составу сплава защищаемой поверхности детали, и фазу из оксида циркония, стабилизированного иттрием, причем доля оксидной фазы в переходном слое по мере увеличения толщины пленки возрастает, обеспечивая плавный переход от металлического материала к оксиду без межфазной границы макроскопического размера.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2588956C2

EP 1533396 A2, 25.05.2005
Способ получения теплозащитных покрытий 1990
  • Верстак Андрей Александрович
  • Соболевский Сергей Борисович
SU1749311A1
Видоизменение печи, охарактеризованной в патенте № 1573 1929
  • Макаров А.М.
SU15928A1
ИЗДЕЛИЕ, ПОДВЕРГАЕМОЕ ВОЗДЕЙСТВИЮ ГОРЯЧЕГО АГРЕССИВНОГО ГАЗА, В ЧАСТНОСТИ, ДЕТАЛЬ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО СЛОЯ ДЛЯ ИЗДЕЛИЯ 1998
  • Хаймберг Беате
  • Бэле Вольфрам
  • Кэмптер Карл
  • Баст Ульрих
  • Хаубольд Томас
  • Хоффманн Михаель
  • Эндрисс Аксель
  • Грайль Петер
  • Хонг Чу-Ван
  • Альдингер Фритц
  • Зайферт Ханс-И.
RU2218447C2
US 20080220177 A1, 11.09.2008.

RU 2 588 956 C2

Авторы

Стогней Олег Владимирович

Валюхов Сергей Георгиевич

Бурыкин Валерий Евгеньевич

Филатов Максим Сергеевич

Черниченко Владимир Викторович

Даты

2016-07-10Публикация

2014-05-06Подача