СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКИ ТУРБИН ГТД Российский патент 2021 года по МПК C23C28/00 C23C10/56 

Изобретение относится к способам получения комбинированных покрытий для защиты от окисления при высокой температуре металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении для защиты лопаток турбин авиационных ГТД от газовой коррозии.

Известны способы нанесения конденсационных, диффузионных и теплозащитных покрытий, применяемых для обеспечения работоспособности деталей машиностроения, полученных методом хромоалитирования в вакууме, электронно-лучевого напыления или плазменного осаждения на воздухе или в вакууме. Основными факторами, влияющими на долговечность теплозащитного покрытия, являются: жаростойкость металлического подслоя, структура и состав керамического слоя, соответствие коэффициентов термического расширения подслоя и керамики (см. Коломыцев П.Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов. М.: Металлургия, 1984 г. 215 с.).

Существенным недостатком диффузионных покрытий является их низкая стабильность и долговечность при высоких температурах. Теплозащитные покрытия характеризуются более низкой теплопроводностью, но растрескиваются и отслаиваются при теплосменах под действием термомеханических нагрузок (см. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001 г., 620 с).

Электронно-лучевые керамики на основе диоксида циркония имеют высокую кислородопроницаемость (см. Жук И.Н., Коломыцев П.Т., Семенов А.П. Исследование эффективности применения теплозащитных покрытий. Защитные покрытия. Научно-методические материалы. М. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1994 г., стр. 106-111.).

Известен способ нанесения покрытия, включающий предварительную абразивно-жидкостную обработку, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуум - плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония стабилизированного 7-9% оксида иттрия (ZrO₂ - 7Y₂O₃) и последующий вакуумный диффузионный и окислительный отжиг (патент на изобретение РФ №2078148). Покрытие, получаемое данным способом должно иметь толщину до 300 мкм, с целью получения достаточного теплоперепада по толщине покрытия, что приводит к снижению его служебных характеристик и не снижает кислородопроницаемости керамического слоя.

Известен способ нанесения покрытия на детали, работающих при высоких температурах, включающий предварительную обработку поверхности детали, нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе никеля, нанесение второго слоя, содержащего алюминий. Затем проводят вакуумный диффузионный отжиг, подготовку поверхности под напыление третьего слоя покрытия из порошка ZrO₂ - Yb₂O₃ или смеси порошков ZrO₂ - Yb₂O₃ и ZrO₂ - Y₂O₃ (патент на изобретение РФ №2280095, опубл. 20.07.2006 г., бюл. №20).

Для нанесения покрытия используют порошок ZrO₂ + (2-5)%Y₂O₃ + (3-4)%YbO₃ (патент Японии 61-41757). Частичная замена в порошковой смеси иттрия на иттербий не повышает долговечность покрытия, а лишь снижает его стоимость.

Известен способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий на основе композиции ZrO₂+NiCr (патент на изобретение РФ №2283363, опубл. 10.09.2006 г., бюл. №25). В данном способе использование оксида кальция в качестве стабилизирующей добавки приводит к снижению теплостойкости композиции в целом, а введение порошка нихрома в порошки диоксида циркония повышают лишь эрозионную стойкость покрытия.

Известен способ нанесения комплексного покрытия на детали из сплавов на основе никеля включающий хромоалитирование в порошковой смеси, термовакуумную обработку с последующим силицированием для окончательного формирования покрытия (патент на изобретение РФ №2220774, опубл. 27.03.2008 г., бюл. №9). Данное покрытие имеет недостаточную жаростойкость и наиболее эффективно для защиты лопаток турбин ГТД при сульфидной коррозии.

Известны способы нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на лопатки турбин ГТД и детали из жаропрочных сплавов включающие хромоалитирование в порошковой смеси, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO₂ - 8Y₂O₃ на детали из жаропрочных сплавов или лопатки турбин ГТД электронно-лучевым методом и последующего напыления электроннолучевым методом слоя толщиной 10-15 мкм [ZrO₂-11Y₂O₃ - (12-25) Si] (патент на изобретение РФ №2402639, опубл. 27.10.2010 г., бюл. №30) или слоя [ZrO₂-11Y₂O₃ - 40 Al₂O₃] (патент на изобретение РФ №2349679, опубл. 20.03.2009 г., бюл. №8) или слоя [ZrO₂-11Y₂O₃ - (20-25) Al₂O₃-(10-12)Si-(5-8)Hf] (патент на изобретение РФ №2469129, опубл. 10.12.2012 г., бюл. №34) и диффузионного отжига для окончательного формирования структуры покрытия. Данные способы повышают долговечность лопаток турбин авиационных ГТД или деталей из жаропрочных сплавов за счет снижения пористости и кислородопроницаемости керамической составляющей покрытия и стойкость к сульфидной коррозии за счет вводимых в покрытие элементов.

Наиболее близким техническим решением является способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин, включающий хромоалитирование в порошковой смеси, термовакуумную обработку, после чего проводят электронно-лучевое напыление на входные кромки лопаток слоя керамики ZrO₂ - 8Y₂O₃ и последующего отжига для окончательного формирования покрытия с переходом от структуры фазы на входной кромке с переходом в - фазу на остальных участках лопаток с концентрацией алюминия (16-18) % (см.патент на изобретение РФ №2272089, кл. С23С 28/00, опубл. 20.03.2006 г., бюл. №8), принятый за прототип.

Покрытие используется для защиты наружной поверхности рабочих лопаток ГТД от высокотемпературного окисления, работающих при более высоких температурах (1000-1180)°С.

Покрытие имеет состав, толщину и структуру а, следовательно, и свойства, соответствующие условиям работы, профилю защищаемой детали.

Покрытие, получаемое таким образом, обладает недостаточной долговечностью при температурах (1150-1200)°С.

Это объясняется тем, что керамическая составляющая комбинированного покрытия, нанесенная электронно-лучевым методом, обладая высокой термостойкостью, имеет высокую кислородопроницаемость, обусловленную ее структурой столбчатого строения. При работе двигателя к сокращению долговечности покрытия приводят процессы образования солевых отложений на поверхности керамического слоя, заполнение отложениями солей пор и микротрещин, развитие химических реакций в структуре керамики. Эти реакции оказывают влияние на дестабилизацию диоксида циркония и вызывают образование неблагоприятного напряженного состояния в системе вследствие изменения фазового состава ZrO₂, изменение пористости и проницаемости покрытия.

Структура - фаз на остальных участках лопаток - спинке, корыте, выходной кромке с концентрацией алюминия (16-18) % обеспечивает термическую стойкость, но недостаточна долговечна при температурах (1150-1200)°С при интенсивных процессах окисления, протекающих на границе покрытия с окислительной средой и диффузионных процессах в системе покрытие - сплав.

Технической задачей изобретения является увеличение рабочих температур лопаток турбин авиационных ГТД и повышение их долговечности за счет применения комбинированного жаростойкого покрытия.

Технический результат изобретения заключается в повышении долговечности и надежности лопаток турбин авиационных ГТД, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления за счет нанесения комбинированного жаростойкого покрытия с изменяющимся в соответствии с условиями работы, составом и структурой по профилю защищаемой детали и пониженной кислородопроницаемостью керамической составляющей покрытия.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин ГТД, включающем хромоалитирование в порошковой смеси, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ на входные кромки лопаток электронно-лучевым методом и отжиг для окончательного формирования структуры покрытия фазы на входных кромках и переходящей в - фазу на остальных участках лопатки с концентрацией алюминия (16-18)%, перед отжигом проводят низкотемпературное хромоалитирование в порошковой смеси на толщину 10-15 мкм, а в результате отжига формируется окончательная структура покрытия состоящей из - фазы на входной кромке с концентрацией алюминия (24-25)%, переходящей в - фазу с концентрацией алюминия (18-20)% на остальных участках лопатки.

Технический результат достигается за счет нового действия в нанесении комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин ГТД, а именно: низкотемпературного хромоалитирования в порошковой смеси на толщину 10-15 мкм и формирования в результате отжига окончательной структуры покрытия состоящей из фазы на входной кромке с концентрацией алюминия (24-25)%, переходящей в - фазу с концентрацией алюминия (18-20)% на остальных участках лопатки.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ существенно отличается от известного тем, что на покрытие состоящей из - фазы на входной кромке переходящей в - фазу на остальных участках лопатки

дополнительно наносят слой покрытия хромоалитированием в порошковой смеси повышая жаростойкость покрытия и снижая кислородопроницаемость керамической составляющей покрытия (таблица 1). Последующий диффузионный отжиг формирует окончательный состав, структуру и свойства комбинированного теплозащитного покрытия.

На фиг. 1 приведена микроструктура поверхности керамического слоя (вид сбоку при 15° от горизонтали, увеличение 200).

На фиг. 2 приведена микроструктура хромоалитированного слоя - фазы.

На фиг. 3 приведена микроструктура поверхности керамического слоя после низкотемпературного хромоалитирования (увеличение 2000).

На фиг. 4 приведена зависимость числа циклов испытаний до появления первой трещины в покрытии от состава покрытия (цикл 1100↔20°С).

На фиг. 5 приведена зависимость влияния состава слоя керамики на пластичность покрытия.

Пример конкретного выполнения (оптимальный) Способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия реализован следующим способом. Покрытие наносят на лопатку турбины, изготовленную из никелевого сплава. Хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси вели при температуре процесса, равной 1190°С, продолжительностью процесса 1 ч 20 мин. Толщина получаемого покрытия 50-60 мкм. Порошковая смесь содержит 13% алюминия, 37% хрома, 50% окиси алюминия. Затем лопатки турбины с покрытием подвергались термовакуумной обработке (ТВО) путем закалки - температура 1240°С, продолжительностью 1 ч 45 мин.

На входные кромки лопаток на промышленной установке УЭ-175 электронно-лучевым методом дополнительно наносили слой системы ZrO₂-8Y₂O₃ столбчатой структуры. Толщина керамического слоя составляет 40-45 мкм. Повторное хромоалитирование лопаток турбин вели в порошковой смеси содержащей 13% алюминия, 37% хрома, 50% окиси алюминия при температуре 1050-1080°С на толщину 10-15 мкм. В процессе последующего диффузионного отжига при температуре 850°С и продолжительности 32 часа формируется окончательный состав покрытия состоящей из β-(ZrO₂-8Y₂O₃) - фазы на входной кромке с концентрацией алюминия (24-25)%, переходящей в - фазу с концентрацией алюминия (18-20)% на остальных участках лопатки.

Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе «Neophot-21». Химический состав определялся микрорентгеноспектральным способом на электронном микроскопе «Stereoscan -S-600» с микроанализатором «Link». Состояние покрытий при испытаниях контролировали ЛЮМ-1-ОВ методом.

Использование способа наиболее эффективно для защиты от высокотемпературного окисления рабочих лопаток турбин в связи с их высокой стоимостью и решающим влиянием их ресурса на ресурс ГТД в целом.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении для защиты деталей газотурбинных двигателей от газовой коррозии. Способ нанесения жаростойкого покрытия на лопатки турбин газотурбинного двигателя включает хромоалитирование, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ на входные кромки лопаток электронно-лучевым методом и отжиг. Хромоалитирование проводят при температуре 1190°С и времени выдержки 1 ч 20 мин. Слой керамики ZrO₂-8Y₂O₃ напыляют толщиной 40-45 мкм. Перед отжигом проводят низкотемпературное хромоалитирование при температуре 1050-1080°С на толщину 10-15 мкм. Отжиг осуществляют при температуре 850°С в течение 32 ч с формированием структуры покрытия, состоящей из β-( ZrO₂-8Y₂O₃)-β+γ' - фазы на входной кромке, переходящей в β+γ' - фазу на остальных участках лопатки. Обеспечивается повышение долговечности и надежности лопаток турбин, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления. 5 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ нанесения жаростойкого покрытия на лопатки турбин газотурбинного двигателя, включающий хромоалитирование, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ на входные кромки лопаток электронно-лучевым методом и отжиг, отличающийся тем, что хромоалитирование проводят при температуре 1190°С и времени выдержки 1 ч 20 мин, слой керамики ZrO₂-8Y₂O₃ напыляют толщиной 40-45 мкм, перед отжигом проводят низкотемпературное хромоалитирование при температуре 1050-1080°С на толщину 10-15 мкм, а отжиг осуществляют при температуре 850°С в течение 32 ч с формированием структуры покрытия, состоящей из β-( ZrO₂-8Y₂O₃)-β+γ' - фазы на входной кромке, переходящей в β+γ' - фазу на остальных участках лопатки.