Способ получения теплозащитных покрытий Советский патент 1992 года по МПК C23C4/12 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам плазменного напыления керамических теплозащитных покрытий.

Известны способы нанесения теплозащитных покрытий, включающие плазменное напыление на основу слоя сцепления из жаростойкого металлического сплава, а затем керамического теплозащитного слоя из диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия, кальция, магния, церия или иттербия.

Частичная стабилизация диоксида циркония обеспечивает фиксацию в материале метастабильной тетрагональной фазы ZrOa. которая значительно увеличивает вязяость разрушения керамики. В результате напряжение рассогласования, возникающие в покрытии при термоциклиропании в процессе его эксплуатации из-за различного теплово го расширения керамики и металлической

основы, релаксируется не только в металлическом подслое, но и в слое керамики Тем не менее стойкость описанных теплозащитных покрытий стермоциклированию остается низкой из-за недостаточно эффективного торможения движения микротрещин в керамическом слое

Известны способы увеличения стойкости теплозащитных покрытий ктермоцикли- рованию путем увеличения пористости керамического слоя.

Поры в керамическом покрытии тормозят движение микротрещмн, что увеличивает вязкость разрушения керамики и как следствие, стойкость покрытия к термоцик- лированию. Однако положительное влияние увеличение пор истости керамического слоя теплозащитного покрытия на его стойкость к термоциклировэнию ограничивается снижением прочности материала, сопровождающим увеличением пористости Кроме того

ы

яяЈ

рстроугольные мелкие поры сами могут стать источниками зарождения микротрещин. Это снижает эффективность воздействия описанных способов на стойкость покрытий к термоциклированию

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ напыления керамического или металлокерамического высокотемпературного трехслойного по крытия, объем пор в котором увеличивается в направлении от наружного слоя к внутреннему от до 15,-18% Увеличенный объем пор в керамическом слое вблизи металлической основы позволяет более эф- фективно релаксировагь напряжения рассогласования, возникающие при термоциклировании конструкции, а плотные внешние слои обеспечивают прочность, необходимую для противодействия механи- ческим нагрузкам и коррозионному воздействию среды

Недостатком способа является то, что эффект увеличения стойкости покрытия к термоциклированию путем увеличения по- рис (Ости прилегающего к основе слоя керамического покрытия ограничен так как при увеличении пористости снижается прочность материала и увеличивается вероятность появления остроугольных пор ослабляю- щих сечение покрытия.

Цель изобретения - повышение стойкости покрытий к термоциклированию

Поставленная цель достигается тем. что напыление слоя покрытия с наибольшим объемом пор проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ZrOx, где 1,0 х 2,0, а после напыления покрытия проводят спекание в нейтральной ат- мосфере при 1000-1200°С в течение 2-4 ч с последующим окислительным отжигом при 750 -900°С в течение 1-4 ч

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем

При напылении трехслойного покрытия из частично стабилизированного диоксида циркония с подслоем из сплава кобяльт-ни- кель, содержащего хром , алюминий и итг- рий, плазменное напыление слоя покрытия с наибольшим объемом пор проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ZrOx где 1,0 х 2.0. В сформированном таким образом покрытии межчастичные контакты и поверхность пор слоя покрытия с наибольшим объемом пор состоят из низших оксидов циркония.

При напылении слоя покрытия с наибольшим объемом пор порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ZrOx. где х 1,0 обьем пор значительно уменьшается при окислении ZrOx до Zr02 что увеличивает разность между коэффициентами линейного расширения подслоя и слоя покрытия, а при х 2,0 во время окислительного отжига не происходит округления пор и зарастания микротрещин в областях межчастичных контактов Таким образом использованиепорошковчастичностабилизированного диоксида циркония, восстановленных с поверхности до ZrOx где х 1,0 или х - 2 приводит к снижению стойкости покрытий к термоциклированию

Операция спекания в нейтральном атмосфере при 1000-1200°С в течение 2-4 ч проводится для физико-химического взаимодействия между частицами диоксида цир- кония и слоем диоксида циркония и подслоем по межчастичным контактам состоящим из низших окислов циркония, что повышает прочность сцепления слоя диоксида циркония с подслоем При проведении спекания при температуре менее 1000°С в течение менее 2 ч количество образуемого соединения или твердого раствора на границе слой диоксида циркония-подслой. а также диффузионное взаимодействие в областях межчастичных контактов незначительно, а при температуре более 1200°С и времени более 4 ч происходят необратимые изменения в металлическом подслое и основе ухудшающие их жаропрочность и термо- усгалость Такая термообработка недопустима в технологии нанесения покрытий на изделия из жаропрочных сплавов Проведение спекания в окислительной атмосфере при 1000-1200°С в течение 2-4 ч приводит к образованию значительного окисиого слоя на границе подслой-слой диоксида циркония, что, в свою очередь, снижает стойкость покрытия к термоциклированию

Операцию окислительного отжига проводят для окисления низших оксидов до стабильного диоксида циркония ZrO2. В процессе окисления за счет увеличения объема окисляющихся участков эффективно залечиваются микродефекты межчастичных контактов и притупляются остроугольные участки поверхности пор. Общая пористость покрытий при огом практически не изменяется, Развитие; взаимодействия в межчастичных контактах и округление пор приводит к увеличению прочности и вязкости разрушения покрытий и, как следствие, стойкость покрытий к термоциклированию

При проведении окислительного отжига при температуре менее 750°С и времени менее

1ч не происходит полное окисление ZrOx до ZrOa, а проведение отжига при температуре более 900°С и времени боле 4 ч приводит, кроме окисления ZrOx до Zr02, к росту окис- ной пленки на поверхности подслоя, что снижает стойкость покрытий к термоцикли- рованию

Пример. На торцовую поверхность образцов из сплава ЖС-30 диаметром 20 мм и толщиной 10 мм наносили теплозащитные покрытия Нанесение покрытий проводили на специализированном комплекте оборудования.

Перед нанесением подслоя образцы подвергали струйно-абразивной обработке карбидом кремния с последующей очисткой от остатков абразива на ультразвуковой ус- тановке в среде этилового спирта Рабочую камеру предварительно вакуумировэли до давления бар потом заполняли аргоном до давления 210 бар, затем проводили ионную очистку и нагрев образцов до 750-800°С После очистки и нагрева образцов наносили подслой толщиной 0,1 мм из порошка сплава на основе Со с 10% Ni, 25 Сг 6% AI 5% Та и 0,6% V Режим нанесения подспоя - ток электрической дуги 730 А. напряжение дуги 65 В, давление в камере 5 «10 2 бар, расход водорода 10 л/мин, расход аргсна 50 л/мин, расход порошка 2,0 кг/ч, расход транспортирующего газа (аргон)

2л/мин, дистанция напыления 350 мм.

После нанесения подслоя рабочая камера развакуумировалась и проводилось нанесение трехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида циркония, состава Zr02 - 7% . фракцией 5-40 мкм с изменением объема пор в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3-5 до 15-18%

Напыление слоя покрытия с наиболь- шим объемом пор по прототипу наносилось не восстановленным с поверхности порошком частично стабилизированного диоксида циркония, а по предлагаемому способу порошком восстановленным с поверхности до ZiOx. где 1,0 х - 2,0 Для восстановления частиц порошка с поверхности порошок ZrO - 7% V203 1100- 1300°С в течение 2-4 ч. Степень восстановления оксидов на поверхности частиц контролировали микрорент- геноспектральным анализом на растровом электронном микроскопе

Покрытия наносили на семь групп образцов по пять образцов в каждой группе (одна группа по известному, шесть по предлагаемому способам) Пористость слоев измеряли на шлифах поперечных сечений покрытий (двух перпендикулярных сечениях на одном образце каждой группы) металлографическим методом.

После нанесения подслоя и трехслойного покрытия из порошков частично стабилизированного диоксида циркония образцы с покрытиями, полученными по предлагаемому способу, подвергали термической обработке режимам, приведенным в табл. 2,

Стойкость покрытий к термоциклирова- нию определяли по количеству термоциклов, которые выдерживали образцы до разрушения слоя керамического, покрытия Термоцикл представлял нагрев образца в печи при 1100°С в течение 0,25 ч и последующее охлаждение в воде до комнатной тем- пературы. Разрушение покрытия фиксировали визуально после каждого цикла по появлению признаков отслоения покрытия или его части Стойкость покрытий к термоциклированию (количество циклов) определяли как среднее значение по четырем образцам.

Как видно из табл. 2 (примеры 3-5) стойкость покрытии к термоциклированию. нанесенных по предлагаемому способу, в 1,2-1,4 раза выше по сравнению с известным покрытием Однако при выходе значений режимов способа (примеры 2 и 6) за предлагаемые пределы стойкость покрытий к термоциклированию снижается.

Формула изобретения

Способ получения теплозащитных покрытий, включающий плазменное напыление подслоя из сплава кобальт-никель, содержащего хром алюминий и иттрий, и трехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида циркония при изменении объема пор в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3-5 до 15-18%, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости покрытий к термоциклированию плазменное напыление слоя покрытия с наибольшим объемом пор проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ZrOx. где 1,0 х 2,0, а после напыления покрытия проводят спекание в нейтральной атмосфере при 1000-1200°С в течение 2-4 ч, с последующим окислительным отжигом при 750-900°С в течение 1-4 ч

Таблица 1

Использование для тепловой защиты деталей газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания Сущность изобретения4 на деталь сначала напыляют подслой из сплава никель-кобальт содержащего хром, алюминий и иттрий, и трехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида циркония при изменении объема пор в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3-5 до 15-18% Слой с наибольшим объемом пор проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония восстановленного с поверхности до ZrOx, где 1 х 2 а после напыления покрытия проводят спекание в нейтральной атмбсфере при 1000-1200°С в течение 2-4 ч с последующим окислительным отжигом при 750-900°С в течение 1-4 ч 2 табл

Пример

Режимы способа

Материал образцов ЖС-30 материал подслоя -Со -10% Ni25% Cr6%, AI5%;Ta О 6%, Y, материал теплозащитных слоев по- крытия Zr02 - 7% УаОз

Известный способ

Нанесение подслоя нанесение слоя теплозащитного покрытия с изменяющейся пористостью

Предлагаемый способ

Нанесение подслоя при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхность

частиц порошка восстановлена до ZrOo.9. спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 950°С 1,5ч окислительный отжиг

всего покрытия 700°С, 0,5 ч Нанесение подслоя при нанесении первого

слоя теплозащитного покрытия поверхность частиц восстановлена до ZrCH.o, спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 1000°С, 2 ч, окислительный отжиг всего покрытия 750°С, 1 ч Нанесение подслоя при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхность

частиц порошка восстановлена до Zn.e, спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 1100°С, 3 ч, окислительный отжиг

всего покрытия 825°С, 2,5 ч Нанесение подслоя, при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхность частиц порошка восстановлена до ZrOi.g, спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 1200°С, 4 ч, окислительный отжиг

всего покрытия 900°С, 4 ч Нанесение подслоя, при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхность

частиц порошка не восстанавливалась (Zr02) спекание всего покрытия в нейтральной атмосфер 1250°С 4,5 ч, окислительный -.JLTXJlLiP-Er° rceJiEh1 950°С, 4.5 ч

Таблица 2

Количество циклов до разрушения покрытия

27

24

36

38

33

25