КОМПОНЕНТ ТУРБОМАШИНЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2022 года по МПК C23C18/32 F01D1/00 F01D5/00 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к компоненту турбомашин, содержащему субстрат, по меньшей мере частично покрытый по меньшей мере одним слоем, нанесенным путем химического никелирования (ENP), к композиции (С), содержащей смесь никеля, по меньшей мере одного из бора и фосфора, и частиц (P), содержащих керамический материал, материал на основе графита и/или фторполимер.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Засорение турбомашин и вспомогательных систем турбомашин, таких как компрессоры, насосы, турбины, теплообменники и т. п., является основным недостатком, из-за которого со временем ухудшаются эксплуатационные характеристики турбомашин. Загрязнение возникает вследствие нежелательного прилипания различных органических и неорганических материалов к металлическому субстрату. Распространенными примерами таких материалов являются дым, масляные туманы, углеродсодержащие остатки и морские соли.

[0003] На адгезию и накопление материала также влияют масляные и водяные туманы, которые в сочетании с высокой температурой и давлением способствуют полимеризации углеводородов (например, при сжатии крекинг-газа) и/или образованию нагара/осаждений минеральных материалов (например, на теплообменниках, турбинах). В результате такое накопление материала вызывает ряд различных неблагоприятных эффектов, таких как потеря теплоэффективности теплообменного оборудования, высокие перепады давления флюида, потеря аэродинамических характеристик вследствие повышения шероховатости, и в конечном счете вызывает выход из строя оборудования с потерей производительности из-за незапланированного простоя установки.

[0004] Засорение можно частично предотвращать с помощью соответствующих систем фильтрации газов, поступающих в турбомашины, и его можно устранять, по меньшей мере частично, путем промывки компонентов моющими средствами «в рабочем режиме». Однако, когда промывка в рабочем режиме больше неэффективна, необходимо выполнять более тщательное удаление, которое включает отключение установки с сопутствующим повышением эксплуатационных затрат и снижением производительности.

[0005] Одним из способов предотвращения этого недостатка без использования промывки является осаждение на поверхностях, подверженных накоплению загрязнений, слоя материала, который препятствует адгезии загрязнений к металлическому субстрату. Примерами таких материалов являются органические/неорганические, фторированные и нефторированные полимеры, которые, однако, имеют некоторые существенные недостатки. Фактически, хотя полимерные материалы эффективны в отношении органических загрязнений, они быстро изнашиваются, когда в потоке флюида, обрабатываемом компонентами турбомашин и вспомогательными системами турбомашин, также присутствуют неорганические частицы. После эрозии полимерного покрытия твердыми частицами (SPE), на субстрате без покрытия в итоге образуется загрязнение. Более того, нанесение полимерных покрытий требует нахождения поверхности на линии прямой видимости, как и при любых других процессах распыления. Основным недостатком данной прикладной методики является сложность нанесения покрытия на внутренние поверхности отверстий малого диаметра и другие поверхности с ограниченным доступом.

[0006] Помимо эрозии твердыми частицами, отложения полимерных материалов на компонентах турбомашинного оборудования страдают от эрозии каплями жидкости (LDE) вследствие впрыска воды/растворителя, что приводит к удалению традиционных покрытий и последующей эрозии материала основы, что приводит к снижению эффективности и преждевременному окончанию срока службы. Удаление полимерного покрытия (вследствие эрозии твердыми частицами или жидкостями) может в конечном счете вызвать коррозию основного материала компонентов из-за воздействия загрязняющих веществ, присутствующих в потоке флюида.

[0007] Кроме того, металлический материал вращающихся компонентов турбомашин, как правило, деформируется во время эксплуатации, в частности при воздействии высоких скоростей вращения и теплового градиента. Для сохранения покрытия на поверхности материал покрытия должен повторять деформации нижележащего субстрата. Полимерные материалы часто растрескиваются, особенно при повышенных скоростях и при высокой скорости деформации. Более того, они обладают ограниченной адгезией к субстрату, которую обеспечивает только подготовка поверхности (пескоструйная обработка). Однако такая обработка субстрата не всегда возможна (например, поверхности со сверхчистовой отделкой или фрезерованные поверхности) В результате этого компонент с первоначальным покрытием может полностью или частично терять слой покрытия с течением времени, подвергаясь загрязнению, эрозии и коррозионной атаке.

[0008] Известные покрытия для турбомашин не способны предотвращать загрязнение и в то же время сопротивляться коррозии и эрозии.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В одном аспекте описанный в настоящем документе объект изобретения относится к компоненту турбомашин, обладающему свойствами препятствования засорению и высокой устойчивостью к эрозии и коррозии. Описанный в настоящем изобретении компонент позволяет повышать эффективность и срок службы турбомашин и вспомогательных компонентов турбомашин и одновременно уменьшать число нежелательных остановок, необходимых для удаления/очистки загрязнений.

[0010] В другом аспекте описанный в настоящем документе объект изобретения относится к турбомашине, содержащей компонент, описанный выше. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, указанный компонент может представлять собой часть центробежного компрессора, поршневого компрессора, газовой турбины, центробежного насоса, компонента, находящегося ниже уровня моря, паровой турбины или вспомогательной системы турбомашины (к которым относятся, без ограничений, компоненты для обеспечения давления потока, теплообменные компоненты, оборудование для оценки, буровое оборудование, оборудование для завершения скважин, оборудование для внутрискважинных работ, оборудование, находящееся ниже уровня моря).

[0011] В другом аспекте объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к применению покрытия, содержащего по меньшей мере один слой композиции (С), из смеси, содержащей никель, по меньшей мере один из бора и фосфора и частицы размером менее 1 микрометра, для предотвращения эрозии, коррозии и накопления загрязнений на поверхности турбомашин, причем указанное применение включает нанесение указанной композиции (С) на по меньшей мере часть поверхности компонентов турбомашины, потенциально подверженной эрозии, и/или коррозии, и/или засорению, путем химического никелирования (ENP).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0012] Описанные варианты осуществления изобретения и многие сопутствующие ему преимущества можно более полно оценить и понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с прилагаемыми фигурами:

На Фиг. 1 показаны полученные с помощью растровой электронной микроскопии (SEM) изображения субстрата, покрытого ENP-композициями, описанными в настоящем документе, которые соответственно содержат керамические частицы, частицы политетрафторэтилена (PTFE) и смесь керамических частиц и частиц PTFE.

На Фиг. 2 показаны значения твердости ENP-покрытия без наполнителей и ENP-покрытий, содержащих частицы, описанные в настоящем документе.

На Фиг. 3, 4 и 5 соответственно показаны результаты анализа методом EDS (энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии) для ENP + фторполимерные частицы, ENP + неорганические частицы и ENP + фторполимер + неорганические частицы.

На Фиг. 6 показаны результаты испытания на адгезию, проведенного на двух ENP-покрытиях, описанных в настоящем документе, содержащих частицы фторполимера или неорганические частицы.

На Фиг. 7 представлены SEM-изображения в поперечном сечении образцов после воздействия на них в течение 90 дней влажного газа, загрязненного только хлоридами (100 000 м.д. Cl^-) и диоксидом углерода (CO₂) при 10 бар (Фиг. 7a) или при 50 бар (Фиг. 7b), или загрязненного смесью CO₂ (10 бар) и сульфида водорода (H₂S) (10 бар) (Фиг. 7c).

График на Фиг. 8 относится к результатам коррозии в виде потери толщины при 65°C и 100 000 м.д. хлоридов в растворе, насыщенном CO₂ и H₂S при нескольких значениях парциального давления. Значение AVG соответствует среднему значению потери толщины, а значения 3s соответствуют интервалу в три сигма, что соответствует уровню доверительной вероятности 99,7.

На Фиг. 9 показаны результаты относительно огибающей кривой смачиваемости при краевом угле смачивания 90°, что отражает порог гидрофобности поверхности.

На Фиг. 10 представлена схема системы собственной разработки для испытания свойств препятствования загрязнению субстрата с нанесенным покрытием в соответствии с настоящим изобретением.

Результаты испытаний на эрозию твердыми каплями показаны на Фиг. 11, а результаты испытаний на эрозию каплями жидкости показаны на Фиг. 12a и 12b (увеличенная нижняя часть графика с Фиг. 12a).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0013] В соответствии с одним аспектом настоящий объект изобретения относится к компоненту с покрытием для турбомашин, который преимущественно способен предотвращать загрязнение и в то же время сопротивляться коррозии и эрозии. Турбомашины и вспомогательное оборудование турбомашин, содержащие компонент с покрытием, описанный в настоящем документе, имеют повышенную эффективность и более длительный срок службы, а число нежелательных остановок, необходимых для удаления/очистки загрязнений с оборудования, значительно снижено по сравнению с известными компонентами с покрытием.

[0014] В соответствии с одним аспектом в описанном в настоящем документе объекте изобретения обеспечен компонент турбомашины, содержащий субстрат, по меньшей мере частично покрытый по меньшей мере одним нанесенным путем химического никелирования (ENP) слоем (C) композиции, содержащей смесь никеля, частиц (P), имеющих средний размер менее 1 микрометра и по меньшей мере одного из бора и фосфора, причем указанный слой (С) композиции имеет толщину от 10 до 250 микрометров, предпочтительно от 20 до 200 микрометров, более предпочтительно от 50 до 100 микрометров, и указанные частицы (Р) содержат керамический материал, материал на основе графита или фторполимер или состоят из них.

[0015] Преимущества описанного в настоящем документе компонента турбомашины многочисленны и включают в себя тот факт, что слой покрытия, включающий композицию (С), обладает высокой устойчивостью к коррозии, бомбардировке жидкостью и эрозии твердыми материалами и в то же время сводит к минимуму или полностью предотвращает загрязнение компонента. Кроме того, слой покрытия, включающий композицию (С), имеет отличную адгезию к субстрату и способность выдерживать упругую или тепловую деформацию субстрата в процессе эксплуатации, в результате чего площадь покрытия, препятствующего засорению, сохраняется на протяжении всего срока службы компонента.

[0016] В предпочтительном варианте осуществления изобретения описан компонент, причем композиция (С) содержит частицы керамического материала и частицы фторполимера.

[0017] Одиночное или совместное нанесение наночастиц наряду с модуляцией их концентрации позволяет синтезировать многофункциональные целенаправленно изготовленные покрытия, способные выдерживать коррозию, эрозию и в то же время предотвращать загрязнение. Кроме того, ENP не является покрытием, для которого необходима линия прямой видимости, что упрощает его применение в стационарных и вращающихся компонентах турбомашин по существу любой геометрии и размера, благодаря чему получается бездефектное покрытие и оптимально защищенные поверхности без изменения исходного качества поверхности, включая поверхности со сверхчистовой отделкой. Защита от загрязнения, устойчивость к коррозии и эрозии у компонента, описанного в настоящем документе, улучшаются по сравнению с существующим уровнем техники, что в конечном итоге приводит к улучшению характеристик турбомашин, предотвращению простоев, отсутствию проблем с охватом субстрата покрытием и снижению общей стоимости работ.

[0018] В предпочтительном варианте осуществления в настоящем документе описан компонент, в котором в частицах композиции (С) керамический материал представляет собой один из нитрида кремния, оксида циркония, диоксида кремния, карбида кремния, нитрида бора, карбида вольфрама, карбида бора, оксида алюминия, нитрида алюминия, карбида титана (TiC), оксида титана (TiO₂), карбида гафния (HfC), карбида циркония (ZrC), карбида тантала (TaC), карбида гафния/тантала (TaxHfy-xCy), диборида циркония ZrB₂, оксида магния MgO, оксида иттрия (Y₂O₃), оксида ванадия (VO₂), частично стабилизированного иттрием оксида циркония (YSZ) и их смесей, материал на основе графита представляет собой MWCNT (многостенные углеродные нанотрубки), GNP (графитовые нанопластины), графен, оксид графита и их смеси, а фторполимер представляет собой один из политетрафторэтилена (PTFE), поливинилиденфторида (PVDF), полихлортрифторэтилена (PCTFE), перфторалкокси (PFA), фторированного этиленпропилена (FEP), полиэтиленхлортрифторэтилена (ECTFE), этилентетрафторэтилена (ETFE) и их смесей.

[0019] В предпочтительном варианте осуществления в настоящем документе описан компонент, в котором композиция (С) содержит частицы (P) от 5 до 35%, предпочтительно от 10 до 30%, более предпочтительно от 15 до 20% по объему относительно общей массы (С).

[0020] В предпочтительном варианте осуществления в настоящем документе описан компонент, в котором частицы (Р) в композиции (С) имеют средний размер частиц менее 1 мкм и предпочтительно от 50 до 500 нанометров, более предпочтительно от 100 до 350 нанометров или от 150 до 250 нанометров.

[0021] В предпочтительном варианте осуществления в настоящем документе описан компонент, в котором субстрат первоначально покрыт первым слоем металлического материала, предпочтительно путем химического никелирования или путем электрохимического осаждения, а слой, содержащий композицию (С), наносят на указанный первый слой, или при этом субстрат непосредственно покрывают композицией покрытия (С).

[0022] В предпочтительном варианте осуществления в настоящем документе описан компонент, в котором между субстратом и слоем композиции (С), нанесенным путем химического никелирования, имеется по меньшей мере один другой слой покрытия, осажденный с помощью химического никелирования и имеющий композицию, отличную от композиции (С).

[0023] В предпочтительном варианте осуществления настоящее описание относится к компоненту центробежного компрессора, поршневого компрессора, газовой турбины, центробежного насоса, компоненту, находящемуся ниже уровня моря, компоненту паровой турбины или вспомогательной системы турбомашины, предпочтительно компоненту для обеспечения давления потока, теплообменному компоненту, элементу оборудования для оценки, буровому оборудованию, оборудованию для завершения скважин, оборудованию для внутрискважинных работ или оборудованию, находящемуся ниже уровня моря.

[0024] В варианте осуществления настоящее описание относится к турбомашине, содержащей описанный выше компонент, который предпочтительно относится к центробежному компрессору, поршневому компрессору, газовой турбине, центробежному насосу, компоненту, находящемуся ниже уровня моря, или паровой турбине, элементу оборудования для оценки, бурового оборудования, оборудования для завершения скважины, оборудования для внутрискважинных работ или оборудования, находящегося ниже уровня моря.

[0025] Вариант осуществления настоящего описания относится к применению покрытия, содержащего по меньшей мере один слой (С) композиции, содержащей смесь, содержащую никель, частицы (P) со средними размерами менее 1 микрометра и по меньшей мере один из бора и фосфора, причем указанный слой (С) композиции имеет толщину от 10 до 250 микрометров, предпочтительно от 20 до 200 микрометров, более предпочтительно от 50 до 100 микрометров, и при этом указанные частицы (P) содержат керамический материал, материал на основе графита или фторполимера, или состоят из него, для предотвращения эрозии и загрязнения поверхности компонентов турбомашин, причем указанное применение включает нанесение путем химического никелирования (ENP) указанной композиции (C) на по меньшей мере часть поверхности турбомашин, потенциально подверженной засорению и/или эрозии.

[0026] Далее будут более подробно рассмотрены варианты осуществления описания, примеры которых приведены ниже. Каждый из примеров приводится для пояснения описания. Приведенное ниже описание и примеры не означают ограничения описания. В сущности, специалистам в данной области должно быть очевидно, что в рамках настоящего описания можно создавать различные модификации и вариации без отступления от объема или сущности описания.

[0027] Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления описанного объекта изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления» в различных местах по всему данному описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления изобретения. Конкретные признаки, структуры или характеристики можно дополнительно комбинировать любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления.

[0028] Если не указано иное, в контексте настоящего описания процентные количества компонента в смеси следует рассматривать как массу этого компонента относительно общей массы смеси.

[0029] Если не указано иное, в контексте настоящего описания указание на то, что композиция «содержит» один или более компонентов или веществ, означает, что в дополнение к этим или другим, которые указаны конкретно, могут присутствовать другие компоненты или вещества.

[0030] Если не указано иное, в рамках объема настоящего описания диапазон значений, указанный для некоторого количества, например массового содержания компонента, включает нижний предел и верхний предел диапазона. Например, если массовое или объемное содержание компонента А упоминается как «от X до Y», где X и Y представляют собой числовые значения, A может быть равно X, или Y, или любому из промежуточных значений

[0031] В контексте настоящего описания термин «химическое никелирование» (ENP) означает автокаталитический процесс осаждения никелевого сплава из водных растворов на субстрат без применения электрического тока. В отличие от электроосаждения ENP не зависит от внешнего источника постоянного тока в плане восстановления ионов никеля в электролите до металлического никеля на субстрате. ENP представляет собой химический процесс, в котором ионы никеля в растворе восстанавливаются до металлического никеля посредством химического восстановления. Наиболее распространенным используемым восстанавливающим агентом является гипофосфит натрия или боргидрид натрия. Как правило, получают ровный слой никель-борного или никель-фосфорного (Ni-P) сплава. Металлургические свойства сплава Ni-P зависят от процентного содержания фосфора, которое может находиться в диапазоне 2-5% (низкий уровень фосфора) до 11-14% (высокий уровень фосфора). Не имеющие ограничительного характера примеры ENP и процессов его нанесения непосредственно на субстрат или поверх первого слоя никеля, нанесенного методом электроосаждения, описаны в публикации WO 2013/153020 А2.

[0032] В контексте настоящего описания термин «субстрат» означает металлический или неметаллический материал, составляющий основную часть компонента турбомашины. В качестве не имеющего ограничительного характера примера указанный материал может представлять собой сталь, такую как углеродистая сталь, низколегированная сталь, нержавеющая сталь, никелевые сплавы, чугун, алюминий, баббитовый материал, графен, слюду, углеродные нанотрубки, кремниевую пластину, титановые, медные и углеродные волокна, необязательно покрытые одним или более слоями других материалов, таких как никель-фосфорный слой, например, нанесенный путем электроосаждения или химического осаждения. Не имеющие ограничительного характера примеры материалов описаны в публикации WO 2013/153020 A2 и WO 2015/173311 A1.

[0033] В контексте настоящего описания сути изобретения термин «фторполимер» означает органический полимерный материал, в котором присутствует по меньшей мере один атом фтора. Не имеющими ограничительного характера примерами таких полимеров являются политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид (PVDF), поливинилфторид (PVF), полихлортрифторэтилен (PCTFE), перфторалкоксиполимер (PFA), фторированный этилен-пропилен (FEP), полиэтилентетрафторэтилен (ETFE), полиэтиленхлортрифторэтилен (ECTFE) и их смеси.

[0034] В контексте настоящего описания размер частиц (P) определяют любым подходящим способом, известным специалисту в данной области. В качестве не имеющего ограничительного характера примера, размер частиц (P) можно определять с помощью анализа визуализации (например, как описано в статье в Microscopy and Microanalysis 2012, 18(S2), 1244), лазерной дифракции света, растровой электронной микроскопии, трансмиссионной электронной микроскопии, атомной силовой микроскопии, автоэлектронной трансмиссионной электронной микроскопии (FE/STEM) и эквивалентных способов, например, перечисленных в публикации «Overview of the Methods and Techniques of Measurement of Nanoparticles», автор H. Stamm, Institute for Health and Consumer Protection Joint Research Centre, Ispra, представленной на мероприятии «nanotrust - Possible Health Effects of Manufactured Nanomaterials, Vienna, 24 September 2009». Размер частиц может быть определен, без ограничений, с помощью динамического светорассеяния (DLS) в соответствии со стандартом DIN ISO 13321.

[0035] Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления», или «вариант осуществления», или «некоторые варианты осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления описанного объекта изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления» или «в некоторых вариантах осуществления» в различных местах во всем данном описании не обязательно относится к одному (-им) и тому (тем) же варианту (-ам) осуществления изобретения. Конкретные признаки, структуры или характеристики можно дополнительно комбинировать любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления.

[0036] При представлении элементов различных вариантов осуществления формы единственного и множественного числа и слово «указанный» предназначены для обозначения того, что существуют один или более элементов. Термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» предназначены для указания включения и означают, что помимо перечисленных элементов могут существовать дополнительные элементы.

[0037] В качестве не имеющих ограничительного характера примеров образцы с покрытием получали, начиная с углеродистой стали, низколегированной стали и нержавеющей стали в качестве субстрата, и с использованием следующих композиций покрытия (все массы приведены в граммах и в расчете на 1000 мл ванну для осаждения.

[0038] Таблица 1. Пример ENP с наполнителем из частиц

Компонент Вес (г) NiSO₄ 12-25 NaH₂PO₂ 70-110 C₆H₈O₇ 6-9 CH₃COONa 15-20 Неорганические частицы 2-20 Фторполимер 2-20 Неорганические частицы + фторполимер 4-40

[0039] Помимо компонентов, перечисленных в таблице 1, в растворе может присутствовать по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество и один ингибитор.

[0040] На Фиг. 1 показаны полученные с помощью растровой электронной микроскопии (SEM) изображения типичного профиля субстрата, покрытого ENP-композициями, описанными в настоящем документе, которые содержат соответственно керамические частицы, частицы PTFE и смесь керамических частиц и частиц PTFE.

[0041] ENP-покрытия с наполнителями из частиц (таблица 1) были охарактеризованы с точки зрения однородности толщины (измерение толщины выполнено с помощью толщиномера согласно стандарту ISO 2178), и продемонстрировали вариации толщины ≤ 5 мкм. Отсутствие пористости определяли путем проведения ферроксилового теста (ASTM A380/A380M), при котором на фильтровальной бумаге не наблюдали синих пятен, и при воздействии субстраты с покрытием солевым туманом (ASTM B117) в течение 3000 часов, при котором не наблюдали образования ржавчины.

[0042] Кроме того, было изучено влияние присутствия частиц в ENP-матрице на твердость, с термообработкой покрытия или без нее (HT, в течение более одного часа при более 250°C), и результаты представлены на Фиг. 2 (ASTM E92).

[0043] Химическая композиция покрытий была охарактеризована EDS-анализом (Фиг. 3, EDS для ENP + частицы фторполимера; Фиг. 4, EDS для ENP + неорганические частицы; Фиг. 5, EDS для ENP + фторполимер + неорганические частицы)

[0044] Устойчивость покрытия к механическому ударному воздействию была протестирована в соответствии со стандартом ASTM B571, и было продемонстрировано отсутствие трещин на покрытии при 10-кратном увеличении.

[0045] Адгезию покрытий к субстрату оценивали путем проведения испытания на адгезию в соответствии со стандартом ASTM C633 с использованием системы для испытаний на растяжение. Результаты представлены на Фиг. 6. Результаты по адгезии относятся к отсоединению клеев, при этом отделения покрытия не наблюдалось.

[0046] Испытания на коррозию показали лишь небольшую коррозионную атаку на поверхности покрытия с сохранением общей толщины. На Фиг. 7 показаны полученные методом SEM изображения поперечного сечения образцов после воздействия в течение 90 дней влажным газом, загрязненным хлоридами (100 000 ч.н.м. Cl^-) и только CO₂ при 10 бар (Фиг. 7a) или 50 бар (Фиг. 7b), или смесью CO₂ (10 бар) и H₂S (10 бар) (Фиг. 7c). Лишь образец, подвергнутый воздействию H₂S, показал реакцию ENP-покрытия с окружающей средой, что привело к некоторой локализованной коррозии. На изображении показана наихудшая область, зарегистрированная на образцах (проникновение коррозии на 6-7 мкм). В средах, содержащих CO₂ и хлориды, образец не демонстрирует никаких признаков коррозии. Этот результат указывает на отличную стойкость к коррозии в присутствии соли, а также соли и кислоты.

[0047] Результаты по коррозии в отношении потери толщины при 65°C и 100 000 ч.н.м. хлоридов в растворе, насыщенном CO₂ и H₂S e при нескольких значениях парциального давления, показаны на Фиг. 8 (AVG = средний, 3s = интервал в три сигма, соответствующий уровню доверительной вероятности 99,7) Степень коррозии демонстрирует параболическую кривую зависимости от времени. На основании этой тенденции прогнозируют потерю толщины покрытия максимум на 35 мкм после 20 лет воздействия (характерный срок службы машины).

[0048] Смачивающие свойства определяли методикой неподвижной капли с использованием различных типов покрытий на углеродистой стали. Смачивающие свойства определяли с помощью способа, включающего стадии измерения краевых углов смачивания жидкостями отобранных поверхностей и расчета полярной части и дисперсной части свободной поверхностной энергии для твердой поверхности, а также ее огибающей кривой смачиваемости.

[0049] Проводили испытания для следующих материалов.

Покрытие Описание Материал субстрата ENP-HP Химическое никелирование
- 10% фосфора углеродистая сталь ENP + nPTFE Химическое никелирование - наполнитель из PTFE
(наночастицы) ENP + nZrO₂ Химическое никелирование - наполнитель из циркония (нано-
частицы) Кремниевые полимерные покрытия Коммерческое покрытие Полимерное покрытие PTFE

Углы смачивания определяли для каждого образца со следующими жидкостями: вода, дийодметан, этиленгликоль и глицерин. Для каждого образца проводили по меньшей мере 30 измерений, чтобы свести к минимуму ошибки измерений. В испытании смачивающих свойств покрытие, содержащее смесь частиц ENP и фторполимеров, показало наилучшие характеристики среди протестированных покрытий. В частности, наблюдались углы контакта смачивания водой до 120°. Ниже в настоящем документе приведены краевые углы смачивания для различных материалов и жидкостей.

Краевой угол смачивания (градусы) Дисперсн. энергия Полярная энергия Поверхностная энергия H₂O Gly Et-Gly Dimeth. Углеродистая сталь 84 96 70 69 21,0 5,8 26,8 Кремниевое полимерное покрытие 92 78 65 49 33,3 1,1 34,4 Полимерное покрытие из PTFE 77 88 72 71 18,4 9,7 28,1 ENP + PTFE 120 89 81 70 21,5 1,0 22,5 ENP 11% P 84 70 71 53 30,8 3,5 34,4 PTFE 18,4 1,6 20

Gly = глицерин; Et-Gly = этиленгликоль; dimeth = дийодметан, H2O = вода

Кроме того, при построении «огибающих смачивания» с использованием модели Оуэнса - Вендта для краевого угла смачивания 90° покрытие, содержащее смесь частиц ENP и фторполимеров, показало лучшие характеристики отталкивания жидкости.

Результаты по огибающей смачивания для 90°, отражающей порог гидрофобности поверхности, представлены на Фиг. 9. Чем меньше площадь, тем меньше взаимодействие твердой поверхности с жидкостями.

[0050] Свойства препятствования засорению характеризовали с помощью испытания собственной разработки. Образцы, покрытые смесью ENP + фторполимер, были установлены на высокоскоростном вращающемся держателе и подвергались центробежному действию машины, в то время как загрязняющая среда, впрыскиваемая в испытательную камеру, ударялась о поверхность образцов с высокой скоростью. Схема аппарата представлена на Фиг. 10. Загрязняющая композиция представляет собой смесь асфальта (35% об./об.) и смазочного материала (синтетического или минерального вещества, например масла Mobil 600 W) (65% об./об). Загрязняющую среду нагревали нагревательной пластиной и впрыскивали в испытательную камеру с помощью перистальтического насоса. Образцы взвешивали до и после испытания. Результатами испытания на загрязнение являлось процентное увеличение массы образцов по отношению к эталонному образцу (без покрытия), испытанному в тех же условиях. Если образец с необработанной поверхностью давал нулевой прирост массы, поверхность, подвергнутая пескоструйной обработке, давала прирост массы +43%, т. е. образовалось значительно более высокое загрязнение, поверхность с ENP-покрытием имела прирост массы +3,2% (т. е. загрязнение накапливалось на обработанной ENP поверхности в основном в том же количестве, что и на необработанном образце), а образец, покрытый слоем ENP-покрытия, содержащим частицы фторполимера в соответствии с настоящим описанием, давал значительное снижение загрязнения (прирост массы -37%) по сравнению с необработанным образцом.

[0051] Все образцы продемонстрировали прекрасное сопротивление эрозии каплями жидкости (LDE) и эрозии твердыми частицами (SPE). Первое испытание проводили, подвергая образцы воздействию пяти миллионов высокоскоростных ударов (250 м/с) каплями воды диаметром 400 мкм. В последнем испытании образцы подвергали пескоструйной обработке частицами размером 4-5 мм, с применением давления воздуха 200 + 10 кПа в течение двух 10-секундных импульсов с ударным расстоянием 290 + 1 мм и углом удара 54 + 1 при 23°C, относительной влажности 50 + 5%. Результаты испытаний на эрозию твердыми частицами представлены на Фиг. 11, результаты испытаний на эрозию каплями жидкости показаны на Фиг. 12а и 12b. Устойчивость к ударам для образцов, покрытых композицией (С) в соответствии с настоящим описанием, превосходит ударную устойчивость образцов с полимерным покрытием (PTFE или кремний, Фиг. 12a) в обоих испытаниях. Более того, в обоих испытаниях ударная устойчивость была сопоставима с ударной устойчивостью ENP-покрытия без частиц наполнителя (Фиг. 11, Фиг. 12b, увеличение нижней области графика на Фиг. 12a).

Предложенная группа изобретений относится к компоненту турбомашины, турбомашине, содержащей указанный компонент, и применению покрытия на по меньшей мере части поверхности компонента турбомашины, подверженной износу и/или загрязнению. Компонент турбомашины содержит субстрат, по меньшей мере частично покрытый по меньшей мере одним нанесенным путем химического никелирования (ENP) слоем композиции (C), содержащей смесь никеля, частиц (P) со средним размером менее 1 мкм и по меньшей мере одного из бора и фосфора. Указанный слой композиции (С) имеет толщину от 10 до 250 мкм, а указанные частицы (Р) содержат керамический материал, материал на основе графита или фторполимер, или состоят из них. Получают компонент турбомашины, обладающий высокой устойчивостью к эрозии и коррозии и позволяющий повысить эффективность и срок службы турбомашин и вспомогательных компонентов турбомашин и одновременно уменьшить число нежелательных остановок, необходимых для удаления или очистки загрязнений. 3 н., 6 з. п. ф-лы, 12 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Компонент турбомашины, содержащий субстрат, по меньшей мере частично покрытый по меньшей мере одним нанесенным путем химического никелирования (ENP) слоем композиции (С), содержащей смесь никеля, частиц (Р) со средним размером менее 1 мкм и по меньшей мере одного из бора и фосфора, причем указанный слой композиции (С) имеет толщину от 10 до 250 мкм, а указанные частицы (Р) содержат керамический материал, материал на основе графита, или фторполимер или состоят из них.

2. Компонент по п. 1, в котором композиция (С) содержит частицы керамического материала и частицы фторполимера.

3. Компонент по п. 1 или 2, в котором керамический материал представляет собой один из нитрида кремния, оксида циркония, диоксида кремния, карбида кремния, нитрида бора, карбида вольфрама, карбида бора, оксида алюминия, нитрида алюминия, карбида титана (TiC), оксида титана (TiO₂), карбида гафния (HfC), карбида циркония (ZrC), карбида тантала (ТаС), карбида гафния/тантала, диборида циркония ZrB₂, оксида магния MgO, оксида иттрия (Y₂O₃), оксида ванадия (VO₂), частично стабилизированного иттрием оксида циркония (YSZ) и их смесей, материал на основе графита представляет собой многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT), графитовые нанопластины (GNP), графен, оксид графита и их смеси, а фторполимер представляет собой один из политетрафторэтилена (PTFE), поливинилиденфторида (PVDF), полихлортрифторэтилена (PCTFE), перфторалкокси (PFA), фторированного этиленпропилена (FEP), полиэтиленхлортрифторэтилена (ECTFE), этилентетрафторэтилена (ETFE) и их смесей.

4. Компонент по любому из пп. 1-3, в котором композиция (С) содержит от 5 до 35 мас. % частиц (Р) по отношению к общей массе композиции (С).

5. Компонент по любому из пп. 1-4, в котором частицы (Р) имеют средний размер частиц от 50 до 500 нм.

6. Компонент по любому из пп. 1-5, содержащий по меньшей мере один слой покрытия, нанесенный методом химического никелирования и содержащий композицию, отличную от композиции (С), между субстратом и слоем композиции (С), осажденной путем химического никелирования.

7. Компонент по любому из пп. 1-6, который представляет собой компонент центробежного компрессора, поршневого компрессора, газовой турбины, центробежного насоса, паровой турбины или теплообменный компонент.

8. Турбомашина, которая содержит компонент по любому из пп. 1-7.

9. Применение покрытия, содержащего по меньшей мере один слой композиции (С), содержащей смесь никеля, частиц (Р) со средним размером менее 1 мкм и по меньшей мере один из бора и фосфора, причем указанный слой композиции (С) имеет толщину от 10 до 250 мкм, а указанные частицы (Р) содержат керамический материал, материал на основе графита или фторполимера или состоят из них, для предотвращения износа и накопления загрязнений на поверхности компонента турбомашины, причем указанное покрытие нанесено путем химического никелирования (ENP) указанной композиции (С) на по меньшей мере часть поверхности компонента турбомашины, подверженной износу и/или загрязнению.