Способ получения теплозащитных покрытий

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 23 С 4/12

У i Оц2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4816572/26. (22) 20.04.90 (46) 23,07.92. Бюл, N-. 27 (7i) Белорусское республиканское научнопроизводственное объединение порошковой металлург.;;-. (72) А. А. Верстак и С. Б. Соболевский (56) Г!атент США N. 4485151, кл. С 23 С 7/00, 1984.

Патент США ¹ 4535033, кл. С 23 С 7/00, 1985.

Патент США N. 4269903, кл. В 32 В 15/04, 1981,, Заявка Японии N. 60-2695, кл. С 23 С 4/06, i 985. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

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 Zr02. кото ая значительно,увеличивает вязкость разрушения керамики, В результате напряжения рассогласования, возникающие в покрытии при термоциклировании в процессе

его зксплуатации иэ-за различного теплового расширения керамики и металлической

Ы2«, 1749311 А1 (57) Использование: для тепловой защиты деталей газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: 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 x < 2. 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. 2 табл. 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 к термоциклированию путем увеличения пористости керамического слоя.

Поры в керамическом покрытии тормозят движение микротрещин, что увеличивает вязкость разрушения керамики и. как следствие, стойкость:покрытия к термоциклированию. Однако погожительное влияние увеличение пористости керамического слоя теплозащитного покрытия на его стойкость к термоциклированию ограничивается снижением прочности материала. сопровождающим увеличением пористости. Кроме того.

1749311 остроугольные 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 покрытия, объем пор в котором увеличивается в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3 — 5 до 15,— 18 /, ... увеличенныЙ объем пор;.в керамическом слое вблизи металлической основы позволяет более эффективно релаксировать напряжения рассогласования, вознлкающие при термоциклировании конструкции, а плотные внешние слои обеспечивают прочность, необходимую для противодействия механическим нагрузкам и коррозионному воздействи О среды.

1!едостатком способа является то, что эффект увеличения стойкости покрытия к термоциклированию путем увеличения парис ости прилегающего к основе слоя керамического покрытия ограничен, так как при увеличении пористости снижается прочность латериала и увеличивается вероятность появления остроугольных пор, ослабляющих сечение покрытия.

Цель изобретения повышение стОЙкО сти покрытий к термоцлKëèpованию, Поставленная цель достигается тем. что напыление слоя покрытия с наибольшим обьемом 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 i000 1200 Ñ в течение 2-4 ч с последующим окислительным отжигом при

750 — 900ОС в течение 1 — 4 ч.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При напылении трехслойного покрытия из частично стабилизированного диокслда циркания с подслаем из сплава кобальт-никель, содержащего хром, алюминий и иттрий, плазменное напыление слоя покрытия с наибольшим обьемом пор. проводят порошкам частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ЕгОК где 1,0 x < 2.0. В сформированном таким образом покрытии межчастичные контакты и поверхность пор слоя покрытия с наибольшим обьемом пар состоят из низших оксидов цирконля, При напылении слоя покрытия с наибольшим обьемом пор порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ZrO>.

5 где х 1,0 объем 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 окислительно10 го отжига не происходит округления пор и зарастания микротрещин в областях межча-. стичных контактов. Таким образом, использование порошков частично стабилизированного диоксида циркония.

15 восстановленных с поверхности до ZrO, где х 1,0 или x =- 2 приводит к снижению стойкости покрытий к термоциклированию.

Операция спекания в нейтральном атмосфере при 1.000-1200"С в течение 2-4 ч

20 проводится для физико-химического взаимодействия между частицами диоксида циркония и слоем диоксида циркония и подслоем flo межчастичным контактам, состоящим из низших окислов циркония, что

25 повышает прочность сцепления слоя диоксида циркония с подслоем. При проведении спекания при температуре менее 1000 С в теченле менее 2 ч количество образуемого соединения или твердого раствора на гра30 нице 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

35 изменения в металлическом подслое и основе, ухудшающие их жаропрочность и термоусталость. Такая термообработка недопустима в технологии нанесения покрытий на изделия из жаропрочных спла40 вов. Проведение спекания в окислительной атмосфере при 1000-1200 С в течение 2-4 ч приводит к образованию значительного окисного слоя на границе подслой-слой диоксида циркония, что, в свою очередь, сни45 жает стойкость покрытия к термоциклированию.

Операцию окислительного отжига проводят для окисления низших оксидов до стабильного диоксида циркония ZrOz. В

50 процессе окисления за счет увеличения Объема окисляющихся участков эффективно залечиваются микродефекты межчастичных контактов и притупляются остроугольные участки поверхности пор. Общая nopuS5 стость покрытий при этом 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.

1749311

40

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

1 ч не происходит полное окисление Zr0> до

ZrO2, а проведение отжига при температуре более 900 С и времени боле 4 ч приводит, кроме окисления ZrOx до Zr02, к росту окисной пленки на поверхности подслоя, что снижает стойкость покрытий к термоциклировэнию.

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 установке в среде этилового спирта. Рабочую камеру предварительно вакуумировали до давления 10 бар, потом заполняли эргоном до давления 2 10 бар, затем проводи-2 ли 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% Nl, 25

Cr 6, Al 5% Тэ и 0,6% V. Режим нанесения подслоя — ток электрической дуги 730 А. напряжение дуги 65 В, давление в камере 5 .10 2 бэр; расход водорода 10 л/мин, расход аргсна 50 n/ìèí, расход порошка 2,0 кг/ч, расход транспортирующего газа (аргон)

2 л/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% У20з фракцией 5-40 мкм с изменением обьема пор в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3-5 да 15-18%.

Напыление слоя покрытия с наибольшим обьемом пор по прототипу наносилось не восстановленным с поверхности порошком частично стабилизированного диоксида циркония, а по предлагаемому способу по-, рошком, восстановленным с поверхности .50 до ЕгОх. где 1,0 (x -2,0. Для восстановления частиц порошка с поверхности порошок

ЕгОр — 7% V20j 1100-1300 С в течение 2-4 ч.

Степень восстановления оксидов на поверхности частиц контролировали микрорентгеноспектральным анализом нэ растровом электронном микроскопе.

Покрытия наносили на семь групп образцов по пять образцов в каждой группе (однэ группа - по известному. шесть - по предлагаемому способам). Пористость слоев измеряли нэ 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 Ilo предлагаемому способу, подвергали термической обработке по режимам, приведенным в табл. 2.

Стойкость покрытий к термоциклированию 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 температуры.. Разрушение покрытия фиксировали визуально после каждого цикла по появлению признаков отслоения покрытия или его части. Стойкость покрытий к термоциклированию {количество циклов) определяли кэк среднее значение по четырем образцам.

Как видно иэ табл. 2 (примеры 3-5) стойкость покрытий 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) эа предлагаемые пределы стойкость покрытий к термоциклированию снижается.

Формула изобретения

Способ получения теплозащитных покрытий, включающий плазменное напыление подслоя иэ сплава кобальт-никель, содержащего хром алюминий и иттрий, и трехслойного покрытия из пОрошка частично стабилизированного диоксида циркония при изменении обьема пор в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3-5 до

15-18%, о т и и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения стойкости покрытий к термоциклированию. плазменное напылеwe 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 C в течение 2-4 ч, с последующим окислительным отжигом при

750 †9"C в течение 1-4 ч.

1749311

Таблица 1

Таблица 2

Пример

Режимы способа

Материал образцов ЖС-30, ма слоя — Со — 10%; Nl 25%i Сг 6 / /

О,бо ; V, материал теплозащитных слоев покрытия ZrO> — 7, YzOs

Известный способ

27 агаемый способ оя, при нанесении первого ного покрытия поверхность а восстановлена до ZrÎog, окрытия в нейтральной ат-.

1,5 ч, окислительный отжиг крытия 700 С, 0,5 ч оя, при нанесении первого щитного покрытия поверх- ность частиц восстановлена до Zr01,о, 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 Zl l,в, 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 Ег01,9. спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 1200 С, 4 ч, окислительный отжиг всего покрытия 900ОС, 4 ч

Нанесение подслоя. при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхность частиц порошка не восстанавливалась (Уг02), спекание всего покрытия в нейтральной атмосфер 1250 С, 4,5 ч, окислительныи отжиг всего покрытия 950 С, 4,5 ч

38

25