Способ получения теплозащитного покрытия

 

Использование: изобретение относится к области газотермического нанесения покрытий, в частности к способам плазменного напыления теплозащитных покрытий. Сущность изобретения: в известном способе нанесения теплозащитного покрытия наносят жаростойкий подслой на основе никеля, кобальта или железа и основной слой из частично стабилизированного диоксида циркония, дополнительно содержащего 5-40 об.% включений из частиц стекла, температура начала размягчения которого ниже рабочей температуры эксплуатации покрытия. Покрытия, полученные по предлагаемому способу, обладают высокой вязкостью разрушения и низким уровнем напряжений на границе подслой-теплозащитный слой покрытия. 3 табл.

Изобретение относится к области газотермического нанесения покрытий, в частности к способам плазменного напыления теплозащитных покрытий.

Известны способы нанесения теплозащитных покрытий, включающие плазменное напыление на основу жаростойкого подслоя системы Ме-Сr-Al-Y (где Ме - никель, хром, железо или их сплавы), а затем керамического теплозащитного слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия, магния, кальция. Недостатком этих покрытий является низкая стойкость к термоциклированию керамического слоя покрытия из стабилизированного диоксида циркония.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту являются способы нанесения теплозащитных покрытий, включающие нанесение подслоя из сплава хрома, алюминия, иттрия или иттербия с никелем, кобальтом или железом и теплозащитного слоя из частично стабилизированного диоксида циркония.

Частичная стабилизация диоксида циркония обеспечивает фиксацию в нем метастабильной фазы ZrO₂, которая значительно увеличивает вязкость разрушения керамики. Недостатком таких покрытий является низкая пластичность материала подслоя, что приводит к отслоению керамического слоя покрытия при термоциклировании.

Целью изобретения является повышение стойкости покрытия к термоциклированию.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе материал подслоя дополнительно содержит вводят 5-40 об.% порошка стекла, температура начала размягчения которого ниже рабочей температуры эксплуатации покрытия.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Введение в состав материала подслоя порошка стекла, находящегося в высоковязком состоянии, позволяет увеличить пластичность подслоя в области рабочих температур и тем самым снизить уровень напряжений на границе подслой - слоя керамики, что в свою очередь приводит к увеличению стойкости покрытия к термоциклированию.

Введение в подслой порошка стекла менее 5 об.% не оказывает достаточного влияния на повышение стойкости покрытий к термоциклированию, а при введении порошка стекла более, чем 40 об.%, заметно снижается прочность материала подслоя, что снижает стойкость покрытий к термоциклированию.

Использование стекол, имеющих температуру начала размягчения выше рабочей температуры детали, не позволяет повысить пластичность подслоя и тем самым не оказывает положительного влияния на стойкость покрытий к термоциклированию.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. На торцевую поверхность образцов из сплава ЖС-30 диаметром 20 мм и толщиной 10 мм наносили теплозащитные покрытия. Нанесение покрытий проводили на специализированном комплексе оборудования VPS фирмы "Плазма-Техник АГ" (Швейцария).

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^-4 Бар, потом заполняли аргоном до давления 2 ˙10^-2 Бар, затем проводили ионную очистку и нагрев образцов до 750-890^оС.

После очистки и нагрева образцов наносили подслой, толщиной 0,1 мм из порошка сплава на основе Со с 10% Ni, 25% Cr, 6% Al, 5% Ta, 0,6% Y и порошка стекла марки СИМАКС состава 80,5% SiO₂; 2,5% Al₂O₃; 12,5% B₂O₃; 0,5% CaO; 4,0% Na₂O с температурой начала размягчения 565^оС. Режим нанесения подслоя - ток электрической дуги - 730А, напряжение дуги 65В, давление в камере - 5˙ 10^-2 Бар, расход водорода - 10 л/мин, расход аргона - 50 л/мин, расход порошка - 2,0 кг/ч, расход транспортирующего газа (аргон) - 2 л/мин, дистанция напыления - 350 мм.

После нанесения подслоя рабочая камера VPS развакуумировалась и проводилось нанесение керамического слоя теплозащитного покрытия толщиной 0,3 мм из порошка частично стабилизированного диоксида циркония состава ZrO₂-7% Y₂O₃ фракцией 5-40 мкм.

Покрытия наносили на 6 групп образцов в каждой. Для получения сравнительных данных параллельно проводили получение покрытий по способу, описанному в прототипе.

Стойкость покрытий к термоциклированию определяли по количеству термоциклов, которые выдерживали образцы до разрушения слоя керамического покрытия. Термоцикл представлял собой нагрев образца в печи при 1180^оС в течение 0,25 ч и последующее охлаждение в воде до комнатной температуры. Разрушение покрытия фиксировали визуально после каждого цикла по выявлению признаков отслоения покрытия или его части.

Сравнительные данные испытаний покрытий, полученных по прототипу и предлагаемому изобретению приведены в табл.1. Стойкость покрытий к термоциклированию (количество циклов) определяли как среднее значение по 5 образцам.

П р и м е р 2. Проводили нанесение по режимам, приведенным в примере 1.

В качестве порошков для нанесения подслоя использовали порошок сплава на основе Ni c 25% Cr, 6%Al, 4%Ta, 0,5%Y и порошок стекла 13, состава 65,5% SiO₂, 15,5%Al₂O₃, 13%Ca, 0,4%Na₂O с температурой начала размягчения 725^оС.

Для нанесения керамического слоя теплозащитного покрытия использовали порошок частично стабилизированного диоксида циркония состава ZrO₂+13% Yb₂O₃.

Сравнительные данные испытаний, полученных по прототипу и предлагаемому способам, приведены в табл.2.

П р и м е р 3. Проводили нанесение покрытий по режимам, приведенным в примере 1. В качестве порошков для нанесения подслоя использовали порошок сплава на основе железа с 24% Сr, 8%Al, 0,5%Y и порошок стекла "Викор" состава 95% SiO₂, 0,4% Al₂O₃ и 3,6%В₂О₃ с температурой начала размягчения 1500^оС.

Для нанесения керамического слоя теплозащитного покрытия использовали порошок частично стабилизированного диоксида циркония состава ZrO₂+7%Y₂O₃.

Сравнительные данные испытаний, полученных по прототипу и предлагаемому изобретению приведены в табл.3.

Как видно из табл.1 и 2 (см. примеры N 3, 4, 5), стойкость покрытий к термоциклированию, нанесенных по предлагаемому изобретению в 1,6-1,8 раза выше, по сравнению с покрытием, полученным по прототипу. Однако при изменение значений режимов способа (см. в табл.1 и 2, примеры N 2 и 6 из табл. 3) за границы, указанные в формуле изобретения, стойкость покрытий к термоциклированию снижается.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ, включающий нанесение подслоя из сплава хрома, алюминия, иттрия или иттербия с никелем, или кобальтом, или железом и основного слоя из частично стабилизированного диоксида циркония, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости покрытия к термоциклированию, в подслой дополнительно вводят 5 - 40 об.% порошка стекла, температура начала размягчения которого ниже рабочей температуры эксплуатации покрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2