СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ Y-AL-O ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА Российский патент 2021 года по МПК C23C14/08 C23C14/34 C23C30/00 

Изобретение относится к области нанесения жаростойких и теплозащитных покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для повышения долговечности лопаток турбин, а также статических деталей в турбореактивных двигателях и газовых турбинах, нуждающихся в защите от высоких температур и агрессивной горячей среды.

Известен способ получения металлокерамического теплозащитного покрытия, состоящего из жаростойкого подслоя и армированной керамики на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (5-9%). Технология включает в себя нанесение дискретного слоя керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя при открытой поверхности от 4% до 98% общей площади, нанесение сплошного металлического слоя из жаростойкого материала толщиной от 1 мкм до 12 мкм и нанесение сплошного керамического слоя (Патент РФ № 2441099, С23С 30//00, С23С 14/06, опубл. 27.01.2012).

Недостатком способа является применение системы Zr₂O-Y₂O₃, максимальная рабочая температура которой не превышает 1200°С из-за фазовых превращений в керамике, влекущих за собой значительное (7%…10%) изменение объема покрытия, что приводит к серьезному снижению ресурса. Кроме того, необходимо комбинировать ионную имплантацию и электронно-лучевое испарение, что повышает трудоемкость и стоимость обработки.

Известен способ получения высокотемпературного многослойного теплозащитного покрытия на основе плакированного никелем порошка диоксида циркония, стабилизированного 7-8 мас. % оксидом иттрия при следующем соотношении компонентов в порошке, мас. %: никель 33…37, ZrO₂(7-8%)Y₂O₃ - остальное, при этом сначала на деталь наносят жаростойкий подслой Ni22Cr10Al1.OY толщиной 0,2 мм, затем наносят промежуточный слой Ni22Cr10Al1.OY+[Ni+ZrO₂7Y₂O₃] толщиной 0,15 мм, затем рабочий слой [Ni+ZrO₂7Y₂O₃] толщиной 0,2 мм (Патент РФ № 2586376, С23С 30//00, В32В 15/04, опубл. 10.06.2016).

Недостатком способа является применение открытого плазменного напыления, при котором образуется пластинчатая структура покрытия, плохо переносящая термоциклические нагрузки из-за хрупкости керамики и невозможности теплового расширения вдоль градиента температуры в покрытии, что ограничивает его ресурс.

Известен способ получения теплозащитных покрытий из керамических материалов, содержащих, по меньшей мере, 20,4 мол. %, по меньшей мере, одного полуторного оксида лантанида, причем каждый полуторный оксид лантанида имеет формулу A₂O₃, где А выбирается из группы, состоящей из La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb и их смесей, а остальное составляет первый оксид, представляющий собой диоксид циркония в количестве, по меньшей мере, 50 мол. % (Патент РФ № 2266352, С23С 30//00, C01G 25/02, C01G 27/02, C01F 17/00, опубл. 20.12.2005).

Недостатком этого способа является применение широкого спектра дорогих и часто дефицитных редкоземельных металлов, что может повлечь за собой высокую стоимость получения покрытия.

Известен способ получения лопатки турбины ГТД-110М с нанесенным на поверхность лопатки методом высокоскоростного газопламенного напыления жаростойкого подслоя толщиной 150-200 мкм и затем керамического термобарьерного слоя, по которому керамический термобарьерный слой подвергают двухстадийной обработке вначале в вакууме при давлении 1×10^-4 мм рт.ст., нагретого до температуры 1050°С в течение 3-4 часов, выдерживают при той же температуре 2 часа и охлаждают до температуры 700°С со скоростью 40-50°С, после чего на воздухе нагревают до 850°С в течение 2,5-3 часов, выдерживают при той же температуре в течение 16 часов и охлаждают в течение 4,7 часов до нормальной температуры (Патент № 2700496, F01D 5/28, F01D 5/12, C23F 17/00, C21D 9/08).

Недостатком способа является длительность получения керамического покрытия, а также его ограниченная стойкость к термоциклическим нагрузкам.

Известен способ получения жаростойкого покрытия методом термодиффузионной обработки сплавов в порошковой смеси, содержащей, мас. %: хром 30-40; алюминий 3-12; активатор 0.2-0.5; никель-иттрий 4-6 и оксид алюминия, остальное - до 100%. Термодиффузионную обработку осуществляют ступенчато в вакууме не менее 9 ч, после чего полученные образцы с нанесенным покрытием охлаждают, затем подвергают закалке при температуре 1180-1280°С не менее 1 ч и отпуску при температуре 900°С не менее 2 ч (Патент РФ № 2621506, С23С 10/56, C21D 1/78, опубл. 06.06.2017 г.).

Недостатками способа являются трудоемкость и длительность процесса получения покрытия.

Наиболее близкий аналог предлагаемого способа - способ получения покрытия YAlO₃ на керамоматричном композите Al₂O₃/Al₂O₃ при помощи атмосферного плазменного напыления, по которому покрытие наносят за 2 прохода плазмотроном TriplexPro-210 при расходе аргона 50 л/мин, гелия 4 л/мин на расстоянии 70/200 мм, толщина получаемой керамики составляет 120 мкм. Используют порошок YAlO₃ со средним размером частиц 37 мкм и чистотой 96% (Gatzen С.et al., YAlO₃-A Novel Environmental Barrier Coating for Al₂O₃/Al₂O₃-Ceramic Matrix Composites // Coatings. - 2019. - T. 9. - № 10. - C. 609. doi: 10.3390/coatings9100609).

Недостатком прототипа является пористость получаемого покрытия и недостаточная адгезия к подложке, приводящие к расслоению и быстрому выходу покрытия из строя при испытаниях на термоциклические нагрузки.

Задачей изобретения является увеличение срока службы высоконагруженных деталей турбореактивных двигателей из авиационных конструкционных сплавов за счет применения защитного покрытия на основе алюминатов иттрия.

Техническим результатом данного изобретения является улучшение стойкости деталей к газовой коррозии и возможность достижения адгезионной прочности за счет многослойной структуры, при которой покрытие будет продолжительное время работать в условиях циклических термических нагрузок при температурах до 1300°С за счет релаксации напряжений в слоях.

Технический результат достигается тем, что в способе нанесения жаростойкого покрытия, включающим плазменное нанесение на подложку покрытия на основе алюминатов иттрия, согласно изобретению, осуществляют тем, что покрытие наносят на подложку из интерметаллидного сплава TNM-B1, при этом плазменное нанесение осуществляют посредством осаждения из плазмы вакуумно-дугового разряда с двух однокомпонентных катодов Al и Y и формируют на обрабатываемой поверхности многослойное покрытие Y-Al-O с чередованием слоев YAl, YAlO₃, YAl в течение 8 циклов. Кроме того, согласно изобретению, перед нанесением многослойного покрытия Y-Al-O на подложку предварительно могут наносить подслой CrAl, препятствующий диффузии кислорода и агрессивных агентов к подложке.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фигуре 1 представлена схема установки ННВ-6,6-И1, где позиция 1 – дуговой испаритель с иттриевым катодом, позиция 2 – дуговой испаритель с алюминиевым катодом, позиция 3 – вращающиеся обрабатываемые детали, позиция 4 – ассистирующий плазменный источник с накальным катодом, 5 – вакуумная откачка, 6 – иттриевая плазма, 7 – алюминиевая плазма, 8 – зона синтеза YAlO₃ на обрабатываемых деталях. На фигуре 2 представлена схема нанесенного покрытия.

Примеры конкретной реализации способа

Пример 1. Для нанесения покрытий использовалась установка ионно-плазменного напыления ННВ-6,6-И1, а в качестве подложки – образцы нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Нанесение покрытия Y-Al-O проводят с двух однокомпонентных катодов из Al и Y. На образцы наносят керамическое покрытие системы Y-Al-O. Пример 2. Для нанесения покрытий использовалась установка ионно-плазменного напыления ННВ-6,6-И1, а в качестве подложки – образцы нержавеющей стали 12Х18Н10Т. На образцы предварительно наносят подслой CrAl в течение 2 часов при силе тока на хромовом катоде I_Cr=80 А, силе тока на алюминиевом катоде I_Al=80 А, напряжении смещения на подложке U=140 В. Нанесение покрытия Y-Al-O проводят с двух однокомпонентных катодов из Al и Y. На образцы было нанесено керамическое покрытие системы Y-Al-O в следующем режиме: сначала наносят подслой YAl в течение 30 минут в среде аргона, затем слой YAlO₃ в течение 30 минут в среде кислорода, затем слой YAl в течение 10 минут в среде аргона. Этот цикл повторяют 8 раз.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить долговечность лопаток турбин, а также статических деталей в турбореактивных двигателях и газовых турбинах, нуждающихся в защите от высоких температур и агрессивной горячей среды.

Изобретение относится к способу нанесения жаростойких покрытий Y-Al-O из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для изготовления лопаток турбин, статических деталей в турбореактивных двигателях и газовых турбинах, нуждающихся в защите от высоких температур и агрессивной горячей среды. Осаждение из плазмы вакуумно-дугового разряда проводят с двух однокомпонентных катодов Al и Y на подложку из интерметаллидного сплава TNM-Β1. На обрабатываемой поверхности формируют многослойную структуру жаростойкого покрытия Y-Al-O с чередованием слоев YAl, YAlO₃, YAl в течение 8 циклов. Перед нанесением покрытия на подложку предварительно наносят подслой CrAl, препятствующий диффузии кислорода и иных агрессивных агентов к подложке. Техническим результатом данного изобретения является улучшение стойкости деталей к газовой коррозии и возможность достижения адгезионной прочности за счет многослойной структуры, при которой покрытие будет продолжительное время работать в условиях циклических термических нагрузок при температурах до 1300°С за счет релаксации напряжений в слоях.1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Способ нанесения жаростойкого покрытия, включающий плазменное нанесение на подложку покрытия на основе алюминатов иттрия, отличающийся тем, что покрытие наносят на подложку из интерметаллидного сплава TNM-B1, при этом плазменное нанесение осуществляют посредством осаждения из плазмы вакуумно-дугового разряда с двух однокомпонентных катодов Al и Y и формируют на обрабатываемой поверхности подложки многослойное покрытие Y-Al-O с чередованием слоев YAl, YAlO₃, YAl в течение 8 циклов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нанесением многослойного покрытия Y-Al-O на подложку предварительно наносят подслой CrAl, препятствующий диффузии кислорода и агрессивных агентов к подложке.