Порошковая композиция для прирабатываемого уплотнительного покрытия Российский патент 2023 года по МПК B22F1/12 C22C1/05 C22C19/03 C23C4/67 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии, и может быть использовано при изготовлении порошковых композиций для уплотнительных покрытий деталей турбомашины, получаемых методом химической металлизации, например, химическим никелированием.

Известно использование прирабатываемого материала для уплотнения в турбомашине. Такой материал наносится в виде слоя на поверхности корпусов и способен разрушаться в случае контакта с роторными лопатками, не разрушая их. При этом материал должен обладать допустимой твердостью для таких покрытий и высокой эрозионной стойкостью для повышенного ресурса покрытия из прирабатываемого материала.

Известна порошковая композиция для прирабатываемого покрытия компании Н.С.Starck AMPERIT 205.005 (amperit_140403_anschnitt.qxd (tecnospray.net) дата обращения 09.06.2022) на основе никеля, с содержанием графита, кобальта, меди, железа, серы, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Наиболее близкими являются порошковая композиция 309NS-3 фирмы Oerlikon Metco (https://www.oerlikon.com/ecoma/files/DSM-0227.4 NiGraphite.pdf?download=true дата обращения 09.06.2022) и порошковый материал НПГ-75 (ИСТИРАЕМОСТЬ И ЭРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГТД (viam-works.ru) дата обращения 09.06.2022), которые содержат никель и графит при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Недостатком данных порошковых композиций является низкая эрозионная стойкость и твердость получаемого покрытия, наносимого способами газотермического напыления из данных композиций, которая влияет на работоспособность покрытия при эксплуатации в условиях повышенных температур.

Техническим результатом, на который направлено изобретение является создание порошковой композиции, полученной методом химической металлизации, для прирабатываемого уплотнительного покрытия, получаемого способами газотермического напыления с требуемой твердостью и высокими показателями эрозионной (газоабразивной) стойкости для прирабатываемых уплотнительных покрытий турбомашин, и, следовательно, повышение работоспособности покрытия при повышенных температурах.

Технический результат достигается тем, что порошковая композиция, полученная методом химической металлизации, на основе никеля содержит графит, отличается от известных тем, что дополнительно содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Наличие фосфора в составе порошковой композиции позволяет повысить эрозионную стойкость прирабатываемого уплотнительного покрытия, наносимого способами газотермического напыления, а также достичь заданной для прирабатываемых покрытий твердости, которая позволит обеспечить бездефектную работу проточной части турбомашины.

Для подтверждения эффективности предлагаемой порошковой композиции были проведены экспериментальные исследования по определению твердости прирабатываемого покрытия и эрозионной стойкости после работы пары лопатка-покрытие с различным соотношением компонентов.

В качестве материала, на который наносилось покрытие с различным соотношением компонентов, выбран титановый сплав ВТ20. В качестве вращающейся лопатки взята пластина с двумя выступами прямоугольной формы из титанового сплава ВТ6. Температура при экспериментальных исследованиях была 500°С.

Твердость полученного прирабатываемого покрытия определялась по Бринеллю.

Метод определения эрозионной стойкости основан на измерении потери массы исследуемого материала при обдувании его потоком твердых частиц (электрокорунд с величиной частиц 100 мкм).

За эрозионную стойкость материала, согласно формуле (1) принимается отношение объема истраченного абразива (частиц электрокорунда) к объему унесенного им испытываемого материала (согласно статье «Истираемость и эрозионная стойкость уплотнительных материалов проточной части ГТД», Д.П. Фарафонов, В.П. Мигунов, А.А. Сараев, Н.Е. Лещев, УДК 62-762, viam-works.ru, дата обращения 01.10.2021):

где V_a - объем истраченного абразива, см³; γ_m - плотность испытываемого материала, г/см³; Δm - потеря массы испытываемого образца, г.

Для исследования были выбраны порошковые композиции, полученные методом химической металлизации, при различном соотношении компонентов (таблица 1).

Эксперимент №1 проводился для прирабатываемого покрытия, наносимого методом плазменного напыления из порошковой композиции НПГ-75.

Эксперимент №2 проводился для прирабатываемого покрытия, наносимого методом плазменного напыления с заявляемым составом порошковой композиции.

Эксперимент №3 проводился для прирабатываемого покрытия, наносимого методом плазменного напыления, с составом, имеющим меньшее значение графита по сравнению с заявляемым составом.

Эксперимент №4 проводился для прирабатываемого покрытия, наносимого методом плазменного напыления, с составом, имеющим большее значение графита по сравнению с заявляемым составом.

Эксперимент №5 проводился для прирабатываемого покрытия, наносимого методом плазменного напыления, с составом, имеющим меньшее значение фосфора по сравнению с заявляемым составом.

Эксперимент №6 проводился для прирабатываемого покрытия, наносимого методом плазменного напыления, с составом, имеющим большее значение фосфора по сравнению с заявляемым составом.

Согласно проведенным исследованиям прирабатываемое покрытие, наносимое из композиционного порошка по составу прототипа (эксперимент №1), обладает пониженными значениями твердости и эрозионной стойкости при высоких температурах, что приводит к снижению работоспособности покрытия, по причине его разрушения, и, как следствие, уменьшение ресурса работы турбомашины.

Прирабатываемые покрытия, наносимые из композиционного порошка по составу №3 и №6, обладают высокой твердостью и эрозионной стойкостью. С увеличением твердости покрытия повышается его износостойкость, следовательно, увеличивается степень износа торца лопатки, возникает риск образования механических дефектов (например, трещин или сколов) на лопатках в момент их врезания в материал покрытия, что приводит к снижению ресурса работы роторной машины в целом.

Прирабатываемое покрытие, наносимое из композиционного порошка по составу №4, обладает достаточной твердостью, но низкой эрозионной стойкостью, что приводит к снижению работоспособности самого покрытия, связанному с образованием неоднородной структуры покрытия при высоких температурах в процессе работы турбомашины.

Прирабатываемое покрытие, наносимое из композиционного порошка по составу №5 имеет низкую твердость и эрозионную стойкость, что приводит к появлению явления наволакивания материала покрытия на торец лопатки в процессе эксплуатации и снижению эффективности применения покрытия.

Прирабатываемое покрытие, наносимое из композиционного порошка по составу №2, обладает допустимой твердостью и повышенной эрозионной (газоабразивной) стойкостью для прирабатываемых уплотнительных покрытий, гарантирующие работу турбомашины в течение заданного ресурса, и является оптимальным составом для данного покрытия, наносимого способами газотермического напыления.

Таким образом, предложенная порошковая композиция для получения прирабатываемых уплотнительных покрытий методом газотермического напыления, позволяет получить прирабатываемое уплотнительное покрытие, работающее при высоких температурах, с высокой работоспособностью благодаря достижению допустимой для таких покрытий твердости и высокой эрозионной стойкости.

Благодаря тому, что порошковая композиция, полученная методом химической металлизации, на основе никеля содержит графит, отличается от известных тем, что дополнительно содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, мас. %: никель - основа, графит - 17,0-28,0, фосфор - 1,0-8,0, примеси не более 2,0, достигается высокая эрозионная стойкость прирабатываемого уплотнительного покрытия, наносимого способами газотермического напыления, а также заданная для прирабатываемых покрытий твердость, которая позволит обеспечить бездефектную работу проточной части турбомашины.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении порошковых композиций для уплотнительных покрытий деталей турбомашины, получаемых методом химической металлизации, например химическим никелированием. Порошковая композиция на основе никеля, полученная методом химической металлизации, содержащая графит, дополнительно содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%: никель – основа, графит - 17,0-28,0, фосфор – 1,0-8,0, примеси – не более 2,0. Обеспечивается получение покрытия из порошковой композиции с требуемой твердостью и высокими показателями эрозионной стойкости, повышение работоспособности покрытия при повышенных температурах. 2 табл.

Порошковая композиция на основе никеля, полученная методом химической металлизации, содержащая графит, отличающаяся тем, что дополнительно содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Никель Ni основа Графит C 17,0-28,0 Фосфор P 1,0-8,0 Примеси не более 2,0