Способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя Российский патент 2019 года по МПК C23C28/00 C23C14/06 C23C14/24 

Описание патента на изобретение RU2688417C1

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты деталей, преимущественно лопаток турбин работающих при высоких температурах в высоконагруженных двигателях.

В промышленности известны способы нанесения 2-х и 3-х слойных теплозащитных покрытий, когда металлические подслои (1 или 2) наносятся шликерным, порошковым, циркуляционным, ионно-плазменным способами, затем проводят термовакуумную обработку, после чего электронно-лучевым способом наносят керамический слой. Основными факторами, влияющими на работоспособность теплозащитного покрытия, являются: состав и структура металлического и керамического слоев, а также соответствие их коэффициентов термического расширения.

/Y. Tamarin, Protective Coatingsfor Turbine Blades, ASM International, 2002, 247 p.,/ [1]

/Тамарин Ю.А., Качанов Е.Б. «Электронно-лучевая технология нанесения ТЗП» - М. ЦИАМ, сб. «Новые технологические процессы и надежностъ.№7 2008 г., с. 144-157/ [2].

Существенным недостатком диффузионных покрытий является их низкая стабильность и долговечность при высоких температурах. Применение теплозащитных покрытий позволяет снизить теплопоток к основному материалу лопатки и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур. Но теплозащитные покрытия имеют низкую пластичность, что приводит к растрескиванию и отслаиванию керамического слоя при теплосменах под действием термомеханических нагрузок, а также столбчатая структура керамического слоя является кислородопроницаемой, что приводит к росту оксидной пленки на металлическом подслое.

/Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001 г., 620 с. [3].

Указанные недостатки покрытий не позволяют значительно повысить жаростойкость и термостойкость лопаток турбин высоконагруженных двигателей.

Известен способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины. В данном способе наносят многослойное покрытие газотермическим уетодом, в котором чередуют керамические и металлические слои.

/US №24904542 МПК С23С 14/06, С23С 14/08, С23С 28/00/ [4].

Такое покрытие имеет ряд существенных недостатков. Керамический слой формируют плазменным напылением, что существенно снижает его термическую усталость и работоспособность. Чередование металлических и керамических слоев ведет к тому, что при наличии термоциклирования между слоями возникают термические напряжения, которые приводят к растрескиванию такого покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя, включающий нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе Ni, нанесение второго слоя покрытия порошковой смесью содержащей Cr-Al, термическую обработку порошковой смеси и первого слоя жаростойкого покрытия, подготовку поверхности и нанесение третьего слоя керамики на основе Zr02-Y203, методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме,

/RU 2280095 МПК С23С14/06 Опубликовано 2006 г./

К недостаткам способа можно отнести следующее: 1 Диффузионный второй слой формируется из состава порошков, содержащих в основном алюминий и хром, в результате которого в покрытии формируется β фаза в наружном слое и β+У во внутреннем слое. Слой имеет поры и низкую стабильность при высоких температурах.

2. После формирования металлического первого слоя системы MeCrAl на нем образуется оксидная пленка Al2O3, которая уменьшает адгезионную прочность с керамическим слоем.

3. Нанесение на керамический слой Zr02-Y203 электроннолучевым методом плотного слоя керамики толщиной 10-15 мкм состава Zr02-11% Y203 40% Al2O3 не приводит к изменению столбчатой структуры керамического слоя, а, следовательно, керамика остается кислородопроницаемой, что в процессе воздействия высоких температур приводит к интенсивному росту оксидной пленки Al2Oз на металлическом диффузионном слое.

Задача изобретения повышение качества наносимого покрытия.

Ожидаемый технический результат повышение работоспособности (ресурса) рабочих лопаток турбины в составе высоконагруженных двигателей.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном способе нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя, включающем нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе Ni, нанесение второго слоя покрытия порошковой смесью содержащей Cr-Al, термическую обработку порошковой смеси и первого слоя жаростойкого покрытия, подготовку поверхности и нанесение третьего слоя керамики на основе Zr02-Y203, методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, отличающийся тем, что в качестве сплава первого слоя жаростойкого покрытия используют сплав содержащий Ni -Co-Cr-Al-Y- Ta-W-Hf, а на слой керамики Zr02-Y203, дополнительно методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме наносят «барьерный» слой из сплава на основе Ni -Co-Cr-Al-Y с последующим диффузионным отжигом, при этом первый слой жаростойкого покрытия наносят вакуум - плазменным методом, который совместно с порошковой смесью после нанесения второго слоя покрытия, подвергают термовакуумной обработке до диффузионного насыщения хромом и алюминием поверхности покрытия первого слоя.

Сущность изобретения иллюстрируется примером: В предложенном способе нанесения теплозащитного покрытия в качестве материала металлического подслоя используют жаростойкий сплав толщиной 50 … 70 мкм состава: Ni - основа; Cr - от 11% до 15%; Al - от 6% до 9%; Та - от 4% до 6%; w-от 3% до 4%; Hf- от 1,8% до 2,2%; Si - от 0,5% до 1,5%, Y - от 0,8% до 1,5%, наносимого конденсационным методом ВПТВЭ (вакуум - плазменная технология высоких энергий) и содержащий в составе тугоплавкие элементы, тем самым повышая стабильность металлического подслоя при воздействии высоких температур.

После нанесения металлического подслоя проводят хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой. Затем наносят слой керамики Zr02-8%Y203 на всю защищаемую поверхность рабочих лопаток методом электроннолучевого испарения и конденсации в вакууме (ЭЛИКВ). Технический результат достигается также за счет нового действия в способе нанесения теплозащитного покрытия, а именно: нанесения на поверхность керамического покрытия высокотемпературного барьерного покрытия толщиной 5 … 10 мкм состава: Ni - основа; Cr - от 18% до 22%; Al - от 11% до 13%; Со - от 8% до 9%, Y - от 0,4% до 0,6%. Тем самым предотвращается доступ кислорода к металлическому подслою и замедляется рост оксидной пленки на границе раздела «металл - керамика». После чего проводят диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия.

Свойства теплозащитного покрытия, после окончательного формирования структуры покрытия, полученные в результате использования предлагаемого способа нанесения покрытия поясняются графическими материалами.

Фиг. 1 - микроструктура теплозащитного покрытия,

Фиг. 2 - диаграмма испытаний на изотермическую жаростойкость при температуре 1100°с

Фиг. 3 - термостойкость теплозащитных покрытий при испытаниях по режиму нагрева 400-1100°С.

Теплозащитное покрытие состоит из нанесенного на поверхность лопатки 1, первого металлического слоя 2 одержащего Ni -Co-Cr-Al-Y-Ta-W-Hf, второго слоя покрытия 3 из порошковой смеси содержащей Cr-Al, третьего слоя керамики 4 на основе Zr02-Y203 и барьерного слоя 5 из сплава на основе Ni -Co-Cr-Al-Y.

Сравнительный анализ заявляемого решения и известного решения показал:

1. Более стабильный легированный первый металлический слой, создает диффузионный барьер легирующим элементам сплава и покрытия при воздействии высоких температур, что в сочетании с конденсационным методом нанесения обеспечивает более высокую диффузионную стабильность покрытия.

2. Дополнительный металлический «барьерный» слой наносимый электронно-лучевым методом на керамический слой блокирует доступ кислорода по межстолбовому пространству к металлическому слою.

После нанесения теплозащитного покрытия рабочие лопатки подвергали испытаниям на изотермическую жаростойкость и термостойкость

Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе "NEOPHOT 31". Химический состав структура покрытий определялись на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV и электронном сканирующем микроскопе JEOL 300LV (Япония). Результаты испытаний представлены на Фиг. 2 и Фиг. 3 соответственно.

В результате сравнения установлено, что стойкость покрытия полученного предложенным способом по отслоению на 47% больше, а термостойкость по по числу циклов (нагрев-охлаждение) на 37% больше чем в известном способе.

Таким образом, использование способа предусматривающего создание 3-слойного теплозащитного покрытия, в котором в первый слой введены тугоплавкие легирующие элементы, а также дополнительно на керамический слой нанесен «барьерный» металлический слой, позволяет надежно защитить лопатки высокотемпературной коррозии, а, следовательно, повысить ресурс работы лопатки в составе высоконагруженного газотурбинного двигателя.

Похожие патенты RU2688417C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКЕ ТУРБИНЫ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ 2009
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Дыбленко Юрий Михайлович
  • Быбин Андрей Александрович
  • Новиков Антон Владимирович
  • Павлинич Сергей Петрович
RU2426817C2
ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2009
  • Новиков Антон Владимирович
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Быбин Андрей Александрович
  • Кишалов Евгений Александрович
RU2426819C1
ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛОПАТОК ТУРБИН И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2009
  • Новиков Антон Владимирович
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Быбин Андрей Александрович
  • Тарасюк Иван Васильевич
  • Кишалов Евгений Александрович
  • Егоров Антон Алексеевич
  • Дементьев Алексей Владимирович
RU2423550C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ 2009
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Новиков Антон Владимирович
  • Быбин Андрей Александрович
  • Павлинич Сергей Петрович
  • Мингажева Алиса Аскаровна
RU2423551C2
ЛОПАТКА ТУРБИНЫ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1992
  • Шамарина Г.Г.
  • Киселев М.Е.
RU2065505C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛЯХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ИЗ НИКЕЛЕВЫХ И КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ 2011
  • Дыбленко Юрий Михайлович
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Таминдаров Дамир Рамилевич
  • Дыбленко Михаил Юрьевич
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Павлинич Сергей Петрович
RU2479666C1
СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ БЛОКА СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ НИКЕЛЕВЫХ И КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ 2010
  • Новиков Антон Владимирович
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Кишалов Евгений Александрович
RU2445199C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ ИЗ НИКЕЛЕВОГО ИЛИ КОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА 2011
  • Дыбленко Юрий Михайлович
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Таминдаров Дамир Рамилевич
  • Дыбленко Михаил Юрьевич
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Павлинич Сергей Петрович
RU2496911C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ 2009
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Дыбленко Юрий Михайлович
  • Быбин Андрей Александрович
  • Новиков Антон Владимирович
  • Петухов Игорь Геннадиевич
RU2441103C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ 2010
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Равилов Ренат Галимзянович
  • Дыбленко Юрий Михайлович
  • Быбин Андрей Александрович
  • Даутов Сагит Хамитович
  • Измайлова Наиля Федоровна
  • Новиков Игорь Николаевич
RU2479669C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 688 417 C1

Реферат патента 2019 года Способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя

Изобретение относится к способу нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин, работающих при высоких температурах в высоконагруженных двигателях. Наносят многослойное покрытие. В качестве сплава первого слоя жаростойкого покрытия используют сплав содержащий Ni-Co-Cr-Al-Y-Ta-W-Hf. Второй слой состоит из порошковой смеси, содержащей Сr-Al, третий слой - керамики ZrO2-Y2O4. Дополнительно на слой керамики методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме наносят «барьерный» слой из сплава на основе Ni-Co-Cr-Al-Y с последующим диффузионным отжигом. Первый слой жаростойкого покрытия наносят вакуум-плазменным методом, который совместно с порошковой смесью после нанесения второго слоя покрытия подвергают термовакуумной обработке до диффузионного насыщения хромом и алюминием поверхности покрытия первого слоя. Использование способа позволяет увеличить стойкость покрытия по отслоению на 47%, а термостойкость по числу циклов (нагрев-охлаждение) на 37%, а следовательно, повысить ресурс работы лопатки в составе высоконагруженного газотурбинного двигателя. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 688 417 C1

Способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя, включающий нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе Ni, нанесение второго слоя покрытия порошковой смесью, содержащей Сr-Аl, термическую обработку порошковой смеси и первого слоя жаростойкого покрытия, подготовку поверхности и нанесение третьего слоя керамики на основе ZrO2-Y2O3 методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, отличающийся тем, что в качестве сплава первого слоя жаростойкого покрытия используют сплав, содержащий Ni-Co-Cr-Al-Y-Ta-W-Hf, при этом дополнительно на слой керамики ZrO2-Y2O3 методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме наносят «барьерный» слой из сплава на основе Ni-Co-Cr-Al-Y и осуществляют последующий диффузионный отжиг, причем первый слой жаростойкого покрытия наносят вакуум-плазменным методом и совместно с порошковой смесью после нанесения второго слоя покрытия подвергают термовакуумной обработке до диффузионного насыщения хромом и алюминием поверхности покрытия первого слоя.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2688417C1

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ 2004
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Мубояджян Сергей Артемович
  • Головкин Юрий Иванович
  • Егорова Людмила Петровна
RU2280095C2
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА СО СТРУКТУРОЙ ВОЛЬФРАМОВОЙ БРОНЗЫ И ДЕТАЛЬ ТУРБИНЫ С СОЗДАЮЩИМ ТЕРМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР ПОКРЫТИЕМ 2007
  • Кулкарни Ананд А.
  • Лампеншерф Штефан
  • Наэйни Ашкан
  • Субраманиан Рамеш
RU2413791C2
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ 2009
  • Смыслов Анатолий Михайлович
  • Смыслова Марина Константиновна
  • Мингажев Аскар Джамилевич
  • Новиков Антон Владимирович
  • Быбин Андрей Александрович
  • Павлинич Сергей Петрович
  • Мингажева Алиса Аскаровна
RU2423551C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ 1994
  • Шамарина Г.Г.
  • Киселев М.Е.
RU2089655C1
JP 2001323361 A, 22.11.2001
DE 4229600 C1, 25.11.1993
US 5834070 A1, 10.11.1998.

RU 2 688 417 C1

Авторы

Опокин Владимир Геннадьевич

Равилов Ринат Галимчанович

Самойленко Василий Михайлович

Даты

2019-05-22Публикация

2018-08-08Подача