Изобретение относится к защитному покрытию для защиты детали от коррозии и/или окисления, в частности, при высоких температурах, согласно Пункту 1 патентной формулы.
Из прототипа известны многообразные защитные покрытия для металлических деталей, которые предназначаются для повышения коррозионной стойкости и/или устойчивости указанных деталей к окислению. Большинство этих защитных покрытий известно под групповым наименованием MCrAlY, где М означает по меньшей мере один из элементов, выбранных из группы, включающей железо, кобальт и никель, и дополнительные существенные компоненты представляют собой хром, алюминий и иттрий.
Типичные покрытия этого типа известны из Патентов США 4005989 и 4034142.
Также известно добавление рения (Re) к NiCoCrAlY-сплавам.
Стремление повысить температуры на входе как стационарных газовых турбин, так и авиационных двигателей, имеет большое значение для специальной отрасли газовых турбин, поскольку температуры на входе представляют собой важные параметры, определяющие термодинамические коэффициенты полезного действия, которые могут быть достигнуты газовыми турбинами. Применение специально разработанных сплавов в качестве базовых материалов для деталей, которые должны подвергаться высоким термическим нагрузкам, таких как направляющие лопасти и рабочие лопатки ротора, и, в частности, использование монокристаллических жаропрочных сплавов, позволяют применять температуры на входе гораздо свыше 1000°С. В настоящее время прототипные решения допускают температуры на входе на уровне 950°С и более в случае стационарных газовых турбин и 1100°С и более в случае газовых турбин для авиационных двигателей.
Примеры конструкции турбинной лопатки или лопасти, имеющей монокристаллическую корпусную часть, которая, в свою очередь, может иметь сложное строение, раскрыты в патентном документе WO 91/01433 А1.
В то время как физическая допустимая нагрузка для базовых материалов, которые до сих пор были разработаны для высоконагруженных деталей, в отношении еще возможных дополнительных повышений температур на входе каких-либо особых проблем не составляет, для достижения достаточной устойчивости к окислению и коррозии должны быть привлечены защитные покрытия. В дополнение к достаточной химической устойчивости защитного покрытия при воздействиях, ожидаемых от топочных газов при температурах с величиной порядка 1000°С, защитное покрытие должно также иметь достаточно хорошие механические свойства, не в последнюю очередь в отношении механического взаимодействия между защитным покрытием и базовым материалом. В частности, защитное покрытие должно быть достаточно пластичным, чтобы иметь возможность следовать возможным деформациям основного материала и не растрескиваться, так как в этой ситуации могли бы создаваться места для окислительного и коррозионного воздействия.
Соответственно этому, целью изобретения является создание сплава и защитного покрытия, которое имеет хорошую устойчивость к высокотемпературным коррозии и окислению, проявляет хорошую долговременную стабильность и, кроме того, особенно хорошо приспособлено к механическим нагрузкам, которых следует ожидать при высокой температуре, в частности, в газовой турбине.
Цель достигнута с помощью системы слоев, по меньшей мере, включающей: подложку, по меньшей мере двухслойное металлическое покрытие состоящее по меньшей мере из одного первого нижнего слоя и второго верхнего слоя на нижнем слое, причем нижний слой включает MCrAlX-сплав без тантала (Та), и без кремния (Si), и без железа (Fe), в частности, содержит по меньшей мере следующие элементы, наиболее предпочтительно состоит из них: (количества в % по весу): 22-26% кобальта (Со), 12-16% хрома (Cr), 10-12% алюминия (Al), 0,2-0,6% никеля, в частности, никеля в качестве остального количества, причем второй слой включает MCrAlX-сплав либо с танталом (Та), и/или с железом (Fe), либо с γ- и γ'-фазой и, необязательно, β-фазой, где Х является необязательным и представляет собой по меньшей мере один из элементов из группы, включающей скандий, рений и редкоземельные элементы, в частности, иттрий (Y).
Дополнительные преимущества достигаются тем, что:
сплав нижнего слоя (7) содержит 24-26% кобальта (Со);
сплав нижнего слоя (7) включает от 22% до 23,5% кобальта;
сплав нижнего слоя (7) содержит 15-16% хрома (Cr);
сплав нижнего слоя (7) содержит 12-14% хрома (Cr);
сплав нижнего слоя (7) содержит 0,3-0,5% иттрия (Y);
сплав нижнего слоя состоит из кобальта (Со), хрома (Cr), алюминия (Al), иттрия (Y) и никеля (Ni);
содержание тантала (Та) в сплаве верхнего слоя составляет между 0,1% по весу до 7,0% по весу,
в частности, ≥1% по весу;
доля тантала (Та) в сплаве верхнего слоя составляет по меньшей мере 2,0% по весу,
в частности, составляет между 3,0% по весу и 6,0% по весу;
доля тантала (Та) в сплаве верхнего слоя составляет между 4% по весу и 8% по весу,
в частности, составляет 5% по весу - 7% по весу,
наиболее предпочтительно составляет 6% по весу;
содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя составляет по меньшей мере 1% по весу;
сплав верхнего слоя включает по меньшей мере 1% по весу хрома (Cr);
сплав верхнего слоя (10) включает 15% по весу - 16% по весу хрома (Cr), в частности, 15,5% по весу Cr;
сплав нижнего слоя не включает рений (Re);
содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя составляет между 5% по весу - 15% по весу,
в частности, составляет между 8% по весу - 12% по весу;
содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 10,5% по весу - 12% по весу,
в частности, составляет 11,5% по весу;
сплав верхнего слоя не содержит рений (Re);
для сплавов металлических слоев справедливо следующее:
не содержат циркония (Zr), и/или
не содержат титана (Ti), и/или
не содержат галлия (Ga), и/или
не содержат германия (Ge);
сплав нижнего слоя и/или верхнего слоя не содержит кремний (Si);
сплав верхнего слоя занимает между 22% по весу и 26% по весу,
в частности, занимает между 24% по весу и 26% по весу;
сплав верхнего слоя (10) включает по меньшей мере 1% по весу хрома (Cr);
сплав верхнего слоя является основанным на никеле;
сплав нижнего слоя является основанным на никеле;
верхний слой включает γ-фазу, γ'-фазу и, необязательно, β-фазу,
в частности, также включает β-фазу;
сплав верхнего слоя включает по меньшей мере 1% по весу алюминия (Al);
сплав верхнего слоя (10) включает по меньшей мере 0,1% по весу,
в частности, включает 0,3% по весу,
наиболее предпочтительно, включает между 0,1% по весу и 0,7% по весу, иттрия (Y);
содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя составляет между 15% по весу - 30% по весу,
в частности, составляет 18% по весу - 27% по весу,
наиболее предпочтительно составляет между 21% по весу - 24% по весу;
содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя составляет между 12% по весу - 22% по весу,
в частности, составляет между 15% по весу - 19% по весу;
верхний слой содержит β-фазу,
в частности, по меньшей мере 5% по объему;
верхний слой включает сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та) и, необязательно, иттрия (Y),
в частности, состоит из него;
верхний слой включает сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та), железа (Fe), и, необязательно, иттрия (Y),
в частности, состоит из него;
верхний слой включает сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та) и иттрия (Y),
в частности, состоит из него;
верхний слой включает сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та), железа (Fe) и иттрия (Y),
в частности, состоит из него;
сплав слоев (7, 10) не включает железо (Fe);
доля железа (Fe) в сплаве верхнего слоя составляет между 0,5% по весу - 5,0% по весу,
в частности, составляет между 1,0% по весу - 4,0% по весу, и
наиболее предпочтительно составляет 2,7% по весу;
содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя составляет между 12% по весу - 16% по весу,
в частности, составляет 14,4% по весу;
доля алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя составляет между 7% по весу - 8% по весу,
в частности, составляет 7,75% по весу;
доля рения (Re) в сплаве верхнего слоя составляет 0,1% по весу - 2% по весу;
содержание тантала (Та) в сплаве верхнего слоя составляет между 5% по весу и 6,8% по весу;
сплав металлических слоев не содержит платины (Pt);
содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя составляет между 11% по весу - 14,5% по весу;
содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя составляет между 14% по весу - 16% по весу;
содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя составляет между 9% по весу - 13% по весу;
содержание иттрия (Y) в сплаве верхнего слоя составляет между 0,1% по весу - 0,7% по весу;
сплав верхнего слоя включает между 4% по весу и 7,5% по весу,
в частности, включает между 3,0% по весу и 6,0% по весу, тантала (Та);
содержание тантала (Та) в сплаве верхнего слоя составляет между 3,5% по весу и 5,5% по весу,
в частности, составляет 4,5% по весу;
содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя составляет между 21% по весу - 25% по весу,
в частности, составляет между 22% по весу - 23,5% по весу,
наиболее предпочтительно составляет 23% по весу;
содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя составляет между 18% по весу - 22% по весу;
верхний слой не включает иттрий (Y);
содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя составляет между 8% по весу - 12% по весу;
содержание иттрия (Y) в сплаве верхнего слоя составляет между 0,1% по весу - 0,7% по весу;
содержание иттрия в верхнем слое составляет 0,2% по весу - 0,6% по весу, в частности, от 0,3% по весу до 0,5% по весу, иттрия (Y).
Для достижения дополнительных преимуществ эти перечисленные выше меры могут быть произвольно объединены между собой.
В зависимых пунктах патентной формулы перечислены дополнительные полезные меры, которые могут быть произвольно скомбинированы друг с другом благоприятным путем.
Ниже изобретение разъясняется более подробно.
В чертежах:
Фигура 1 показывает систему слоев, имеющую защитное покрытие,
Фигура 2 показывает составы жаропрочных сплавов,
Фигура 3 показывает газовую турбину,
Фигура 4 показывает турбинную лопатку или лопасть, и
Фигура 5 показывает камеру сгорания.
Фигуры и описание представляют только примерные варианты осуществления изобретения.
Согласно изобретению, система 1, 120, 130, 155 слоев (фигура 1) для защиты детали, включающей подложку 4, от коррозии и окисления при высокой температуре включает следующее:
двухслойное металлическое покрытие 7, 10
состоящее по меньшей мере из первого нижнего слоя и второго верхнего слоя 10,
причем нижний слой 7 включает MCrAl-сплав без тантала (Та), и без кремния (Si), и без железа (Fe),
в частности, содержит следующие элементы,
(количества в % по весу):
22-26% кобальта (Со),
в частности, 25%,
12-16% хрома (Cr),
в частности, 13%,
10-12% алюминия (Al),
в частности, 11%
0,2-0,6%,
наиболее предпочтительно 0,3%
по меньшей мере одного элемента из группы, включающей скандий и редкоземельные элементы,
в частности, иттрий (Y),
никель,
в частности, никель в качестве остального количества,
причем второй слой 10 имеет MCrAl-сплав
либо с танталом (Та) и/или с железом (Fe), либо с γ- и γ'-фазой и, необязательно, β-фазой.
Защитное покрытие 13 имеет хорошую коррозионную стойкость в сочетании с особенно хорошей устойчивостью к окислению, и отличается также особенно хорошими характеристиками пластичности, и поэтому оно в особенности рекомендуется для применения в газовой турбине 100 (фигура 3) при дополнительном повышении температуры на входе.
Защитное покрытие 13 имеет нижний MCrAlX-слой 7 и наружный слой 10, причем слой 10 включает MCrAlX-сплав, содержащий тантал (Та) и/или железо (Fe). «Х» является необязательным и предпочтительно представляет собой скандий или элемент, выбранный из группы редкоземельных элементов, в частности, иттрий и/или рений.
Без рения (Re), который часто используется, в нижнем слое 7 можно обойтись, чтобы не образовывались никакие хрупкие рениевые фазы, которые могли бы снижать пластичность слоя 7.
Нижний слой 7 предпочтительно представляет собой чистый NiCoCrAl-слой, то есть без добавлений тантала и/или железа, причем наружный слой 10 включает добавки, такие как тантал и/или железо, для регулирования фаз или фазового перехода, для хорошей защиты от окисления.
Нижний слой 7 предпочтительно имеет относительно узкий диапазон состава, и приведен в соответствие с жаропрочными сплавами на основе никеля или кобальта, в частности, как показано в фигуре 2, или для одинакового теплового расширения и хорошего сцепления. Его пластичность отчетливо проявляется значительно более высокой, по меньшей мере на 10%, в частности, на 20%, чем пластичность наружного металлического слоя 10.
Поэтому наружный слой 10 может быть конфигурирован чрезвычайно вариабельным, значительно более независимым от состава подложки (4), и, в зависимости от применения, без компромисса в отношении: высокой рабочей температуры (с быстрым ростом оксида) или умеренных температур и более длительной защиты от окисления:
Ni-13Co-15Cr-11Al (4,5-6)Та, -0,3 Y
Ni-Со-Cr-Al-Fe.
Наружный слой 10 имеет превосходную защиту от окисления, напротив, нижний слой имеет очень высокую ударную вязкость и тем самым защищает подложку 4, которая затем может быть повторно использована без дефектов для нового применения.
Порошки наносятся, например, плазменным напылением (способами APS (атмосферное плазменное напыление), LPPS (плазменное напыление при низком давлении), VPS (вакуумное плазменное напыление), ...). Также возможны другие способы (PVD (физическое осаждение из газовой фазы), CVD (химическое осаждение из газовой фазы), холодное газодинамическое напыление, ...).
Описываемое защитное покрытие 13 также действует как связующий слой с жаропрочным сплавом.
На это защитное покрытие 7 могут быть нанесены дополнительные слои, в частности, керамические термобарьерные покрытия 16.
В случае детали 1, 120, 130, защитное покрытие 13 предпочтительно наносят на подложку 4, выполненную из жаропрочного сплава на основе никеля или на основе кобальта, в частности, как показано в фигуре 2.
Составы этого типа известны как литейные сплавы с обозначениями GTD222, IN939, IN6203 и Udimet 500.
Дополнительные альтернативные варианты для подложки 4 детали 1, 120, 130, 155 перечислены в фигуре 2.
Толщина защитного покрытия 13 на детали 1 предпочтительно составляет между примерно 100 мкм и 300 мкм.
Защитное покрытие 13 в особенности пригодно для защиты детали 1, 120, 130, 155 от коррозии и окисления, когда деталь подвергается воздействию топочных газов, имея температуру материала около 950°С, и в случае авиационных турбин даже около 1100°С.
Поэтому защитное покрытие 13 согласно изобретению особенно рекомендуется для защиты детали газовой турбины 100, в частности, направляющей лопатки 120, рабочей лопатки 130 ротора или теплозащитного элемента 155, которая подвергается воздействию горячего газа выше по потоку относительно турбины или в турбине газовой турбины 100 или паровой турбины.
Защитное покрытие 13 может быть использовано в качестве покровного слоя (защитное покрытие представляет собой наружный слой), или как связующее покрытие (защитное покрытие представляет собой промежуточный слой).
Фигура 1 показывает в качестве детали систему 1 слоев.
Система 1 слоев включает подложку 4.
Подложка 4 может быть металлической и/или керамической. В частности, в случае турбинных деталей, например, таких как турбинные рабочие лопатки 120 ротора (фигура 4) или направляющие лопатки 130 турбины (фигуры 3, 4), теплозащитные элементы 155 (фигура 5) и другие детали корпуса паровой или газовой турбины 100 (фигура 3), подложка 4 включает жаропрочный сплав на основе никеля или на основе кобальта, в частности, состоит из него.
Предпочтительно используются жаропрочные сплавы на основе никеля.
На подложке 4 присутствует соответствующее изобретению защитное покрытие 13.
Это защитное покрытие 13 предпочтительно наносят плазменным напылением (способами VPS, LPPS, APS, ...).
Оно может быть использовано в качестве наружного слоя (не показан) или в качестве промежуточного слоя (фигура 1).
В последнем случае на защитном покрытии 13 присутствует керамическое термобарьерное покрытие 16.
Слой оксида алюминия образуется на металлическом слое 13 во время работы и/или во время нанесения керамического покрытия 16.
Защитное покрытие 13 может быть нанесено на вновь изготовленные конструкционные детали и на восстановленные детали.
Восстановление означает, что после их использования слои (термобарьерное покрытие) могут быть отделены от деталей 1, и удалены продукты коррозии и окисления, например, кислотной обработкой (кислотное стрипперование). При необходимости должны быть также отремонтированы трещины. После этого на деталь этого типа опять может быть нанесено покрытие, поскольку подложка 4 является очень дорогостоящей.
Фигура 3 показывает, в качестве примера, газовую турбину 100 в частичном продольном разрезе.
Внутри газовой турбины 100 имеется ротор 103, который смонтирован таким образом, что он может вращаться вокруг оси 102 вращения, имеет вал 101, и также называется ротором турбины.
Вдоль ротора 103 один за другим следуют впускной корпус 104, компрессор 105, например, тороидальная камера 110 сгорания, в частности, кольцевая камера сгорания, с многочисленными коаксиально размещенными форсунками 107, турбина 108 и выпускной корпус 109.
Кольцевая камера 110 сгорания находится в сообщении, например, с кольцеобразным каналом 111 для горячего газа. Там, в порядке примера, четыре последовательно соединенных ступени 112 турбины образуют турбину 108.
Каждая ступень 112 турбины сформирована, например, из двух лопаточных или лопастных венцов. Если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, в канале 111 для горячего газа за рядом 115 направляющих лопаток следует ряд 125, сформированный из рабочих лопаток 120 ротора.
Направляющие лопатки 130 закреплены на внутреннем корпусе 138 статора 143, тогда как рабочие лопатки 120 ротора, принадлежащие к ряду 125, размещены на роторе 103, например, с помощью турбинного диска 133.
С ротором 103 соединен генератор (не показан).
Во время работы газовой турбины 100 воздух 135 втягивается через впускной корпус 104 и сжимается компрессором 105. Сжатый воздух, подготовленный на обращенном к турбине конце компрессора 105, поступает к форсункам 107, где он смешивается с топливом. Затем смесь сгорает в камере 110 сгорания с образованием рабочей среды 113. Оттуда рабочая среда 113 протекает вдоль канала 111 для горячего газа на направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120 ротора. На рабочих лопатках 120 ротора рабочая среда 113 расширяется, передавая им импульс силы так, что рабочие лопатки 120 ротора приводят во вращение ротор 103, и последний, в свою очередь, приводит в движение соединенный с ним генератор.
Во время работы газовой турбины 100 детали, которые подвергаются воздействию горячей рабочей среды 113, испытывают термические нагрузки. Направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120 ротора первой ступени 112 турбины, если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, вместе с теплозащитными элементами, которые облицовывают кольцеобразную камеру 110 сгорания, подвергаются самым высоким термическим нагрузкам.
Чтобы быть в состоянии противостоять температурам, которые там преобладают, они могут охлаждаться с помощью хладагента.
Подобным образом, подложки деталей могут иметь направленную структуру, то есть они находятся в монокристаллической форме (SX-структура), или имеют только продольно направленные зерна (DS-структура). В порядке примера, в качестве материала для деталей, в частности, для турбинных лопаток или лопастей 120, 130, и деталей камеры 110 сгорания, используются жаропрочные сплавы на основе железа, на основе никеля или на основе кобальта.
Жаропрочные сплавы этого типа известны, например, из патентных документов EP 1 204 776 В1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949.
Направляющая лопатка 130 имеет корень направляющей лопатки (здесь не показан), обращенный к внутреннему корпусу 138 турбины 108, и головку направляющей лопатки на противоположном конце относительно корня направляющей лопатки. Головка направляющей лопатки обращена к ротору 103 и закреплена на крепежном кольце 140 статора 143.
Фигура 4 показывает перспективный вид рабочей лопатки 120 ротора или направляющей лопатки 130 турбомашины, которая является протяженной вдоль продольной оси 121.
Турбомашина может представлять собой газовую турбину самолета или электростанции для выработки электроэнергии, паровую турбину или компрессор.
Лопатка или лопасть 120, 130 имеет последовательно протяженные вдоль продольной оси 121 крепежный участок 400 (хвостовик), примыкающую к нему полку 403 лопатки, рабочую сторону (перо) 406 лопасти или лопатки, и вершину 415 лопасти или лопатки.
Будучи в качестве направляющей лопатки 130, лопатка 130 на своей вершине 415 лопатки может иметь дополнительную полку (не показана).
На крепежном участке 400 сформирован корень 183 лопасти или лопатки, который используется для крепления рабочих лопаток 120, 130 ротора к валу или диску (не показан).
Корень 183 лопасти или лопатки выполнен, например, в форме головки молотка. Возможны также другие конфигурации, такие как елочный хвостовик или «ласточкин хвост».
Лопатка или лопасть 120, 130 имеет переднюю кромку 409 и заднюю кромку 412 для среды, которая обтекает основную часть 406 лопатки.
В случае традиционных лопаток или лопастей 120, 130, в качестве примера, на всех участках 400, 403, 406 лопатки или лопасти 120, 130 используются сплошные металлические материалы, в частности, жаропрочные сплавы.
Жаропрочные сплавы этого типа известны, например, из патентных документов EP 1 204 776 В1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949.
В этом случае лопатка или лопасть 120, 130 может быть изготовлена способом литья, также с помощью направленного затвердевания, способом ковки, способом фрезерования, или их комбинациями.
Заготовки с монокристаллической структурой или структурами используются в качестве деталей для машин, которые во время работы подвергаются воздействию высоких механических, термических и/или химических нагрузок.
Монокристаллические заготовки этого типа изготавливают, например, направленным затвердеванием из расплава. Сюда входят процессы литья, в которых жидкий металлический сплав затвердевает с образованием монокристаллической структуры, то есть в монокристаллическую заготовку, или затвердевает направленно.
В этом случае дендритные кристаллы ориентированы вдоль направления теплового потока, и формируют либо структуру с зернами в виде столбчатых кристаллов (то есть зернами, которые проходят по всей длине заготовки, и здесь, в соответствии со стандартной терминологией, называются направленно затвердевшими), либо монокристаллическую структуру, то есть вся заготовка в целом состоит из одного монокристалла. В этих процессах необходимо избегать перехода к глобулярному (поликристаллическому) затвердеванию, поскольку ненаправленный рост неизбежно ведет к образованию поперечных и продольных границ между зернами, которые сводят на нет полезные свойства направленно затвердевшей или монокристаллической детали.
Там, где в тексте в общих терминах упоминаются направленно затвердевшие микроструктуры, это следует понимать как означающее и монокристаллы, которые не имеют никаких границ между зернами или, в крайнем случае, имеют малоугловые межзеренные границы, так и структуры из столбчатых кристаллов, которые имеют границы между зернами, проходящие в продольном направлении, но не имеют никаких поперечных межзеренных границ. Эти указанные вторыми кристаллические структуры также описываются как направленно затвердевшие микроструктуры (направленно отвержденные структуры).
Способы этого типа известны из патентных документов US-А 6,024,792 и EP 0 892 090 А1.
Подобным образом, лопатки или лопасти 120, 130 могут иметь защитные покрытия 7 согласно изобретению, предохраняющие от коррозии или окисления.
Плотность предпочтительно составляет 95% теоретической плотности.
На MCrAlX-слое (в качестве промежуточного слоя или в качестве самого наружного слоя) образуется защитный слой из оксида алюминия (TGO = термически выращенный оксидный слой).
Также возможно присутствие на MCrAlX термобарьерного покрытия, которое предпочтительно представляет собой самый наружный слой и состоит, например, из ZrO2, Y2O4-ZrO2, то есть является не стабилизированным, частично стабилизированным или полностью стабилизированным оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.
Термобарьерное покрытие полностью покрывает весь MCrAlX-слой. С помощью подходящего способа нанесения покрытий, например, такого как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD), в термобарьерном покрытии формируются столбчатые зерна.
Возможны другие способы нанесения покрытий, например, атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS (плазменное напыление при низком давлении), VPS (вакуумное плазменное напыление), или CVD (химическое осаждение из газовой фазы). Для лучшей устойчивости против тепловых ударов термобарьерное покрытие может иметь зерна, которые являются пористыми и/или включают микротрещины или макротрещины. Поэтому термобарьерное покрытие предпочтительно является более пористым, чем MCrAlX-слой.
Лопатка или лопасть 120, 130 может быть по форме пустотелой или сплошной. Если лопатка или лопасть 120, 130 должна охлаждаться, то она является пустотелой и также может иметь отверстия 418 для пленочного охлаждения (обозначены пунктирными линиями).
Фигура 5 показывает камеру 110 сгорания газовой турбины 100. Камера 110 сгорания, например, конфигурирована, как это известно, в виде кольцевой камеры сгорания, в которой многочисленные форсунки 107, которые образуют факелы 156 пламени и размещены в окружном направлении вокруг оси 102 вращения, открыты в пространство 154 камеры сгорания. На этом основании вся камера 110 сгорания в целом имеет кольцеобразную конфигурацию, позиционированную вокруг оси 102 вращения.
Для достижения сравнительно высокого коэффициента полезного действия камера 110 сгорания рассчитана на сравнительно высокую температуру рабочей среды М от около 1000°С до 1600°С. Чтобы даже при этих эксплуатационных параметрах, которые неблагоприятны для материалов, обеспечивать возможность относительно длительной продолжительности работы, стенка 153 камеры сгорания на своей стороне, которая обращена к рабочей среде М, оснащена внутренней облицовкой, сформированной из теплозащитных элементов 155.
Кроме того, с учетом высоких температур внутри камеры 110 сгорания, может быть предусмотрена система охлаждения теплозащитных элементов 155 или, соответственно, деталей их крепления. Тогда теплозащитные элементы 155 являются, например, пустотелыми, и также могут иметь отверстия для охлаждения (не показаны), которые открыты в пространство 154 камеры сгорания.
На стороне рабочей среды каждый теплозащитный элемент 155, выполненный из сплава, оснащен особенно термостойким защитным покрытием (MCrAlX-слой и/или керамическое покрытие), или же изготовлен из материала, который в состоянии противостоять высоким температурам (сплошные керамические кирпичи).
Эти защитные слои 7 могут быть подобны покрытиям, используемым для лопаток или лопастей турбины.
На MCrAlX также может присутствовать, например, керамическое термобарьерное покрытие, состоящее, например, из ZrO2, Y2O4-ZrO2, то есть не стабилизированное, частично стабилизированное или полностью стабилизированное оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.
Столбчатые зерна в термобарьерном покрытии получаются с помощью подходящих способов нанесения покрытий, например, таких как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD).
Возможны другие способы нанесения покрытий, например, атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS, VPS, или CVD. Для лучшей устойчивости против тепловых ударов термобарьерное покрытие может иметь зерна, которые являются пористыми и/или включают микротрещины или макротрещины. Поэтому термобарьерное покрытие предпочтительно является более пористым, чем MCrAlX-слой.
Восстановление означает, что после их использования защитные слои могут быть удалены с лопастей или лопаток 120, 130 турбины, теплозащитных элементов 155 (например, пескоструйной обработкой). Затем удаляются продукты коррозии и окисления. При необходимости должны быть также отремонтированы трещины в лопастях или лопатках 120, 130 турбины, или в теплозащитных элементах 155. После этого следует повторное нанесение покрытия на турбинные лопатки или лопасти 120, 130, теплозащитные элементы 155, и затем турбинные лопатки или лопасти 120, 130, или теплозащитные элементы 155 могут быть использованы повторно.
Изобретение относится к защитному покрытию для защиты детали от коррозии и/или окисления, в частности, при высоких температурах. Коррозионно-стойкое покрытие, нанесенное на подложку (4), выполненную из жаропрочного сплава на основе никеля или на основе кобальта, в форме системы слоев, содержащее, по меньшей мере, верхний слой (10), нанесенный на нижний слой (7). Указанный нижний слой (7) содержит MCrAl-сплав на основе никеля, который свободен от тантала (Та), кремния (Si), железа (Fe) и рения (Re). Верхний слой (10) содержит MCrAl-сплав на основе никеля, содержащий, вес.%: по меньшей мере 1 кобальта (Со), по меньшей мере 1 хрома (Cr), по меньшей мере 1 алюминия (Al), с танталом (Та) и/или с железом (Fe), при этом содержание тантала (Та) составляет от 0,5% по весу до 1,5% по весу. Для сплавов верхнего слоя (10) и нижнего слоя (7) справедливо следующее: они свободны от циркония (Zr), и/или они свободны от титана (Ti), и/или они свободны от галлия (Ga), и/или они свободны от германия (Ge). Обеспечивается защитное покрытие, которое имеет хорошую устойчивость к высокотемпературной коррозии и окислению, проявляет хорошую долговременную стабильность и хорошо приспособлено к механическим нагрузкам при высоких температурах, в частности в газовой турбине. 34 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Коррозионно-стойкое покрытие, нанесенное на подложку (4), выполненную из жаропрочного сплава на основе никеля или на основе кобальта, в форме системы слоев, содержащее, по меньшей мере, верхний слой (10), нанесенный на нижний слой (7), причем указанный нижний слой (7) содержит MCrAl-сплав на основе никеля, который свободен от тантала (Та), кремния (Si), железа (Fe) и рения (Re), а верхний слой (10) содержит MCrAl-сплав на основе никеля, содержащий, вес.%: по меньшей мере 1 кобальта (Со), по меньшей мере 1 хрома (Cr), по меньшей мере 1 алюминия (Al), с танталом (Та) и/или с железом (Fe), при этом содержание тантала (Та) составляет от 0,5% по весу до 1,5% по весу,
в котором для сплавов верхнего слоя (10) и нижнего слоя (7) справедливо следующее:
они свободны от циркония (Zr), и/или
они свободны от титана (Ti), и/или
они свободны от галлия (Ga), и/или
они свободны от германия (Ge).
2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что оно предназначено для детали (120, 130, 155) газовой турбины (100), при этом подложка (4) выполнена в виде детали (120, 130, 155) газовой турбины.
3. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что сплав нижнего слоя (7) представляет собой MCrAlX-сплав, где X представляет собой по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий (Sc) и редкоземельные элементы, в частности иттрий (Y), наиболее предпочтительно только иттрий (Y).
4. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что сплав нижнего слоя (7) содержит, по меньшей мере, следующие элементы,
наиболее предпочтительно состоит из них:
(количества в % по весу):
22-26% кобальта (Со),
12-16% хрома (Cr),
10-12% алюминия (Al),
в частности 10,5%-12% алюминия (Al),
наиболее предпочтительно 11,5% алюминия (Al),
0,2-0,6%, в частности от 0,2% до 0,5%, по меньшей мере, одного из элементов из группы, включающей скандий (Sc) и редкоземельные элементы, в частности иттрий (Y), наиболее предпочтительно только иттрий (Y),
никель - остальное.
5. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что сплав верхнего слоя (10) представляет собой MCrAlX-сплав, где X представляет собой по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий (Sc), рений (Re) и редкоземельные элементы,
в частности иттрий (Y),
наиболее предпочтительно только иттрий (Y).
6. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно включает керамическое термобарьерное покрытие (16), нанесенное на верхний слой (10).
7. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что сплав нижнего слоя (7) состоит из кобальта (Со), хрома (Cr), алюминия (Al), иттрия (Y) и никеля (Ni).
8. Покрытие по п. 1, в котором сплав нижнего слоя (7) и/или верхнего слоя (10) свободен от кремния (Si),
и/или
в котором сплавы верхнего слоя (10) и нижнего слоя (7) свободны от гафния (Hf),
и/или
в котором сплавы верхнего слоя (10) и нижнего слоя (7) свободны от платины (Pt).
9. Покрытие по п. 1,
в котором сплав нижнего слоя (7) содержит 24-26% кобальта (Со),
в частности 24,5-25,5% кобальта (Со),
наиболее предпочтительно 25% кобальта (Со),
или в котором сплав нижнего слоя (7) включает от 22% до 23,5% кобальта (Со).
10. Покрытие по п. 1,
в котором нижний слой (7) содержит 15%-16% хрома (Cr),
в частности 15,5% хрома (Cr), или в котором нижний слой (7) содержит 12-14% хрома (Cr).
11. Покрытие по п. 1,
в котором сплав нижнего слоя содержит 0,3-0,5% иттрия (Y),
в частности 0,4% иттрия (Y).
12. Покрытие по п. 1,
в котором содержание тантала (Та) в верхнем слое (10) составляет от 0,5% по весу до 1,0% по весу.
13. Покрытие по п. 1,
в котором содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 15% по весу и 30% по весу, в частности составляет между 18% по весу и 27% по весу, наиболее предпочтительно составляет между 21% по весу и 24% по весу.
14. Покрытие по п. 1,
в котором содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя составляет между 21% по весу и 25% по весу,
в частности составляет между 22% по весу и 23,5% по весу,
наиболее предпочтительно составляет 23% по весу.
15. Покрытие по п. 1,
в котором содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя составляет между 21% по весу и 25% по весу,
в частности составляет между 22% по весу и 23,5% по весу,
наиболее предпочтительно составляет 23% по весу.
16. Покрытие по п. 1,
в котором содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя составляет между 22% по весу и 26% по весу,
в частности составляет между 24% по весу и 26% по весу.
17. Покрытие по п. 1,
в котором сплав верхнего слоя (10) включает 15% по весу -16% по весу хрома (Cr),
в частности 15,5% по весу хрома (Cr).
18. Покрытие по п. 1,
в котором содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 5% по весу - 15% по весу,в частности составляет между 8% по весу - 12% по весу.
19. Покрытие по п. 1,
в котором содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 10,5% по весу - 12% по весу,
в частности составляет 11,5% по весу.
20. Покрытие по п. 1,
в котором сплав верхнего слоя (10) свободен от рения (Re).
21. Покрытие по п. 1,
в котором сплав верхнего слоя (10) включает по меньшей мере 0,1% по весу иттрия (Y),
в частности включает между 0,1% по весу и 0,7% по весу иттрия (Y),
наиболее предпочтительно включает 0,3% по весу иттрия (Y).
22. Покрытие по п. 1,
в котором сплав верхнего слоя (10) содержит 0,2% по весу - 0,6% по весу иттрия (Y),
в частности от 0,3% по весу до 0,5% по весу.
23. Покрытие по п. 1,
в котором содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 12% по весу - 22% по весу,
в частности составляет между 15% по весу - 19% по весу.
24. Покрытие по п. 1,
либо в котором верхний слой (10) содержит сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та) и, необязательно, иттрия (Y),
в частности состоит из него,
либо в котором верхний слой (10) содержит сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та) и иттрия (Y),
в частности состоит из него,
либо в котором верхний слой (10) содержит сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та), железа (Fe) и, необязательно, иттрия (Y),
в частности состоит из него,
либо в котором верхний слой (10) включает сплав, состоящий из никеля (Ni), кобальта (Со), алюминия (Al), хрома (Cr), тантала (Та), железа (Fe) и иттрия (Y),
в частности состоит из него.
25. Покрытие по п. 1,
в котором содержание железа в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 0,5% по весу - 5,0% по весу,
в частности составляет между 1,0% по весу - 4,0% по весу, и
наиболее предпочтительно составляет 2,7% по весу.
26. Покрытие по п. 1,
в котором содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 12% по весу - 16% по весу,
в частности составляет 14,4% по весу.
27. Покрытие по п. 1,
в котором содержание алюминия (А1) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 7% по весу и 8% по весу,
в частности 7,75% по весу.
28. Покрытие по п. 1,
в котором содержание рения (Re) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 0,1% по весу и 2% по весу.
29. Покрытие по п. 1,
в котором содержание кобальта (Со) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 11,0% по весу - 14,5% по весу.
30. Покрытие по п. 1,
в котором содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 14% по весу и 16% по весу.
31. Покрытие по п. 1,
в котором содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 9% по весу и 13% по весу.
32. Покрытие по п. 1,
в котором содержание иттрия (Y) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 0,1% по весу и 0,7% по весу.
33. Покрытие по п. 1,
в котором содержание хрома (Cr) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 18% по весу и 22% по весу.
34. Покрытие по п. 1,
в котором верхний слой (10) свободен от иттрия (Y).
35. Покрытие по п. 1,
в котором содержание алюминия (Al) в сплаве верхнего слоя (10) составляет между 8% по весу и 12% по весу.
| US 2004180233 A1, 16.09.2004 | |||
| ЗАЩИТНЫЙ СЛОЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛИ ОТ КОРРОЗИИ, ОКИСЛЕНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕГРУЗКИ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 1995 |
|
RU2147624C1 |
| ЛОПАТКА ТУРБИНЫ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 1992 |
|
RU2065505C1 |
| МНОГОСЛОЙНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ С ФАЗОЙ ПИРОХЛОРА | 2006 |
|
RU2388845C2 |
| RU 2002133224 A, 27.06.2004 | |||
| EP 1925687 A1, 28.05.2008. | |||
