СПОСОБ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛОПАТОК ДВИГАТЕЛЕЙ И ТУРБИН Российский патент 2022 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения и может использоваться для защиты лопаток двигателей и турбин от высокотемпературной оксидно-сульфидной и газовой коррозии.

Известен способ нанесения покрытий на лопатки турбины ГТД (патент RU №2479669), включающий ионно-имплантационную обработку ионами одного из следующих элементов N, Y, Yt или их комбинацию, нанесение жаростойкого подслоя и керамического слоя. После нанесения керамического слоя ионно-плазменным методом наносят первый слой сплава на никелевой основе, второй алюминидный слой и третий слой из сплава на никелевой основе, после чего проводят диффузионный отжиг в вакууме. Имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2 - 100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см² до 10 мА/см². В качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя используют сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0,2% до 0,7%, Ni - остальное или Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0, 2% до 0,7%, Со - от 16% до 30%, Ni - остальное, и их сочетания. Для второго слоя используют сплав состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%, Аl - остальное. В качестве керамического материала используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂О₃ - 5-9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Толщина керамического слоя составляет от 20 мкм до 400 мкм, толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм, а толщины первого, второго и третьего слоев от 4 до 12 мкм каждый, но не более 28 мкм их суммарной толщины. Повышаются эксплуатационные свойства теплозащитного покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с покрытием.

Недостатками способа является трудоемкость способа нанесения покрытия, высокая стоимость используемых материалов и низкая адгезия металлических слоев к верхнему керамическому слою, которая под действием термических и механических нагрузок приведет к скорому отслоению слоя.

Известен способ получения жаростойкого покрытия на деталях, работающих в условиях повышенных температур, включающий жидкофазное формирование покрытия на основе алюминида никеля, NiAl₃, на детали из стали в алюминий-никелевом расплаве с содержанием никеля 40-45% при температуре 1200-1300°С, при этом поверхность деталей предварительно покрывают флюсом на основе криолита (патент RU №2569873). Техническим результатом изобретения является повышение качества покрытия и снижение трудоемкости процесса нанесения покрытий.

Недостатком способа является нестабильная работа покрытия из NiAl₃, способного к деградации в средах с преобладающим содержанием серы.

Известен способ нанесения покрытия (патент RU №2432418), заключающийся в том, что на основу наносят слой из модифицированного платиной алюминида формулы PtMAl, где М обозначает металлы - железо (Fe), никель (Ni) или кобальт (Со), или комбинации из этих металлов. Слой создают с помощью физического осаждения из паровой фазы (PVD). По меньшей мере, оба компонента алюминий (Аl) и металл М физически осаждают из паровой фазы при технологическом давлении, по меньшей мере, 0,1 мбар, предпочтительно, по меньшей мере 0,4 мбар, и, в частности, между 0,4 мбар и 0,6 мбар.

Недостатком покрытий из группы драгоценных металлов является их высокая стоимость, а также слабая эффективность в условиях высокотемпературной газовой и солевой коррозии.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу, выбранным за прототип, является способ нанесения керамического слоя теплозащитного покрытия (патент RU №2600783) на изделия с жаростойким покрытием, включающим размещение изделия в камере распыления, заполненной смесью кислорода и инертного газа, нагрев изделия, магнетронное распыление мишени из сплава на основе циркония с образованием керамического слоя и термообработку изделия и отличается тем, что нагрев изделия осуществляют хотя бы частично потоком газоразрядной магнетронной плазмы до температуры 200-800°C и используют мишень из сплава циркония, иттрия, гадолиния и гафния следующего состава, мас.%: иттрий - 6-10, гадолиний - 6-10, гафний 3-7, цирконий - остальное.

Недостатком способа является ограниченный срок эксплуатации слоя жаростойкого покрытия на основе системы NiAlCrY, вследствие протекания процесса диффузии алюминия в верхние слои с последующим разрушением покрытия.

Достигаемым техническим результатом заявленного способа является повышение химической стойкости покрытия лопаток двигателей и турбин к высокотемпературной газовой коррозии.

Указанный технический результат достигается тем, что способ антикоррозионной защиты лопаток двигателей и турбин включает ионную очистку поверхности деталей в вакууме, магнетронное напыление слоев покрытия, термообработку покрытия в вакууме. Причем, магнетронное напыление проводят слоем серебра, затем слоем циркония и слоем оксида циркония, при этом слой серебра и слой циркония наносят в среде аргона при давлении в рабочей камере напыления 6,0*10^-1-7,0*10^-1 Па, причем слой серебра наносят при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,20- 0,22 A; U = 0,66-0,68 кВ до формирования толщины 15-25 мкм, слой циркония наносят при параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,51 - 0,53 A; U = 0,34-0,36 кВ до формирования толщины 10-15 мкм, слой оксида циркония наносят в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при параметрах работы высокочастотного источника тока: U = 60 - 62 В Па до формирования толщины 10-15 мкм, термообработку покрытия в вакууме проводят при температуре 1000-1050°С в течение 3-4 часов.

Нанесение слоя серебра в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,20-0,22 A; U = 0,66-0,68 кВ, давлении в рабочей камере напыления 6,0*10^-1-7,0*10^-1Па обеспечит создание барьерного слоя, ограничивающего диффузию компонентов сплава. При этом нанесение на поверхность детали металлических слоев, способствует армированию покрытия, за счет обретенной пластичности слоя, что повышает стойкость покрытия к воздействию механических и ударных нагрузок.

Нанесение слоя циркония в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,51 -0,53 A; U = 0,34-0,36 кВ, давлении в рабочей камере напыления составляло 6,0*10^-1 Па, также обеспечит создание противодиффузионного армирующего слоя, при этом позволит добиться наилучшей адгезии верхнего оксидного слоя.

Нанесение слоя оксида циркония в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при следующих параметрах работы высокочастотного источника тока: U = 60-62 В, давлении 6,0*10^-1 - 7,0*10^-1 Па обеспечит защиту покрытия от окисления из-за высокой термодинамической стабильности, за счет сформированных реакционным плазменным напылением плотных аморфных слоев.

Проведение термообработки покрытия в вакууме при температуре 1000- 1050 °С в течение 3- 4 часов позволит провести снятие возникших остаточных напряжений в покрытии, полученных методом магнетронного распыления.

Процесс нанесения антикоррозионных защитных покрытий осуществляют следующим образом.

Образцы жаропрочного никелевого сплава диаметром 12 мм предварительно подвергают травлению бомбардирующими ионами аргона. Процесс ионного травления ведут при следующих параметрах работы ионного источника: I = 0,053 A; U = 1,6 кВ. Давление в рабочей камере напыления составляет 5,1*10^-2 Па, а скорость подачи рабочего газа аргона - 15 см³/мин. Ионное травление проводят в течение 10 минут. Затем, образец в рабочей камере перемешают в позицию над источником постоянного тока, после чего производят напыление двухслойного металлического покрытия, состоящего из серебра и циркония.

Слой серебра наносят в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,20-0,22 A; U = 0,66-0,68 кВ, давлении в рабочей камере напыления 6,0*10^-1-7,0*10^-1 Па. Напыление серебра проводят до формирования толщины слоя 15-25 мкм. Слой циркония наносят в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,51-0,53 A; U = 0,34-0,36 кВ. Напыление циркония проводят до формирования толщины слоя 10-15 мкм. Слой оксида циркония наносят в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при следующих параметрах работы высокочастотного источника тока: U = 60-62В. Напыление оксида циркония проводят до формирования толщины слоя 10-15 мкм. Далее, для снятия внутренних напряжений в слое оксида циркония и стабилизации структуры покрытия, проводят термообработку покрытия в вакууме при температуре 1000 - 1050°С в течение 3-4 часов.

После нанесения и термообработки, для оценки термической и химической стойкости покрытий, проводят коррозионные испытания. Образцы с покрытием загружают в реакционную зону электрообогреваемого реактора с системой дозированной подачи коррозионных агентов. В качестве коррозионных агентов были выбраны газы SO₂ и HCl, оказывающие наибольший разрушающий эффект. Общее содержание газов в камере составляло 2 % при объемном соотношении SO₂ и HCl 1:1. Процесс коррозионных испытаний осуществляют при температуре 850 °С в течение 4 часов.

По описанному способу были получены антикоррозионные защитные покрытия различного состава. Примеры составов покрытия представлены в таблице.

Таблица

Характеристика составов покрытий

№ Толщина 1 слоя серебра Толщина 2 слоя циркония Толщина 3 слоя оксида циркония Глубина коррозии при Т=850 °С, длительности испытаний 4 часа, мкм 1 25 10 10 0 2 20 15 10 0 3 15 15 15 0 4 Прототип Сплав СДП Оксиды сплава циркония, иттрия, гадолиния и гафния 0,5

Из данных таблицы следует, что осуществление технического решения антикоррозионной защиты лопаток двигателей по заявляемому способу является эффективным по сравнению с прототипом и позволяет повысить химическую стойкость покрытия лопаток двигателей и турбин к высокотемпературной газовой коррозии в присутствии коррозионно-активных газов SO₂ и HCl.

Способ антикоррозионной защиты лопаток двигателей и турбин относится к области авиадвигателестроения и может использоваться для защиты лопаток двигателей и турбин от высокотемпературной оксидно-сульфидной и газовой коррозии. Способ нанесения антикоррозионного защитного покрытия на лопатки двигателей и турбин включает ионную очистку поверхности деталей в вакууме, нанесение слоев упомянутого покрытия магнетронным напылением и термообработку покрытия из нанесенных слоев в вакууме. Магнетронным напылением наносят слой серебра, затем слой циркония и слой оксида циркония. Слой серебра и слой циркония наносят в среде аргона при давлении в рабочей камере напыления 6,0⋅10^-1-7,0⋅10^-1 Па. Слой серебра наносят при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I=0,20-0,22 A, U=0,66-0,68 кВ до формирования толщины упомянутого слоя 15-25 мкм. Слой циркония наносят при параметрах работы источника постоянного тока: I=0,51-0,53 A, U=0,34-0,36 кВ до формирования толщины указанного слоя 10-15 мкм. Слой оксида циркония наносят в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при параметрах работы высокочастотного источника тока: U=60-62 В до формирования толщины упомянутого слоя 10-15 мкм. Термообработку покрытия из нанесенных слоев в вакууме проводят при температуре 1000-1050°С в течение 3-4 ч. Обеспечивается повышение химической стойкости покрытия лопаток двигателей и турбин к высокотемпературной газовой коррозии. 1 табл.

Способ нанесения антикоррозионного защитного покрытия на лопатки двигателей и турбин, включающий ионную очистку поверхности деталей в вакууме, нанесение слоев упомянутого покрытия магнетронным напылением и термообработку покрытия из нанесенных слоев в вакууме, отличающийся тем, что магнетронным напылением наносят слой серебра, затем слой циркония и слой оксида циркония, при этом слой серебра и слой циркония наносят в среде аргона при давлении в рабочей камере напыления 6,0⋅10^-1-7,0⋅10^-1 Па, причем слой серебра наносят при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I=0,20-0,22 A, U=0,66-0,68 кВ до формирования толщины упомянутого слоя 15-25 мкм, слой циркония наносят при параметрах работы источника постоянного тока: I=0,51-0,53 A, U=0,34-0,36 кВ до формирования толщины указанного слоя 10-15 мкм, слой оксида циркония наносят в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при параметрах работы высокочастотного источника тока: U =60-62 В до формирования толщины упомянутого слоя 10-15 мкм, а термообработку покрытия из нанесенных слоев в вакууме проводят при температуре 1000-1050°С в течение 3-4 ч.