Порошковая шихта и способ получения из нее защитного металлокерамического покрытия на изделиях из дисперсионно- твердеющих никелевых сплавов

 

Изобретение относится к созданию средств защиты конструкционных материалов от воздействия агрессивных средств и, в частности, к металлокерамическому покрытию, применяемому в ЖРД для защиты проточной части турбины. Кроме того, изобретение относится к способу получения этого покрытия на изделиях из сплавов на никелевой основе. Металлокерамическое покрытие содержит никель, кремний, оксиды кремния, бария, бора, хром, борид титана, дисилицид молибдена. Покрытие наносят на изделие шликерными слоями металлокерамической массы, включающей указанные выше компоненты, перемешанной в воде с добавлением часовярской глины, каждый слой покрытия сушат на воздухе до исчезновения на поверхности слоя влажных пятен, а затем обжигают при температуре старения указанных сплавов. При этом первый слой обжигают на воздухе в течение 1-2 ч, а последующие слои - в течение 20-30 мин. Использование предлагаемого покрытия и способа получения его на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов обеспечивает надежную работоспособность теплонапоряженных деталей и узлов ТНА ЖРД в условиях циклического воздействия потока кислородсодержащего газа, включающего металлические частицы, например, из сплава AM_r6, при температуре до 900^oC. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к созданию средств защиты конструкционных материалов от воздействия агрессивных сред и, в частности, к металлокерамическому покрытию, применяемому в ЖРД для защиты проточной части турбины, работающей в условиях циклических нагрузок в среде высокотемпературного генераторного газа с избытком окислителя при наличии в нем инородных частиц, являющихся инициатором возгорания. Кроме того, изобретение относится к способу получения этого покрытия на изделиях из сплавов на никелевой основе.

В практике ЖРД довольно широко применяются жаростойкие покрытия, обеспечивающие защиту металлоконструкций от высокотемпературной газовой коррозии. Основные требования, предъявляемые к свойствам покрытия: высокая допустимая температура поверхности, хорошее сцепление покрытия с защищаемым материалом, стойкость по отношению к вибрационным нагрузкам, механическим и тепловым ударам. Выбор материала указанных покрытий производится из довольно широкого круга химических элементов, их окислов, нитридов и карбидов.

Например, известны жаростойкие покрытия, состоящие из окислов металлов: патент США N 4289447 (комбинированное покрытие, включающее два первых слоя из сплава NiCrAlY и поверхностный слой из оксида циркония с добавлением оксида магния 6 25%), патент США N 4377371 (покрытие из оксида циркония с добавками Y₂O₃ 12%), патент США N 4764089 (покрытие на основе нитрида кремния, наносится на детали, изготовленные из сплава NiCrAlY), патент США N 4594053 (покрытие из оксида циркония наносится на внутреннюю поверхность камеры сгорания прямоточного ракетного двигателя), патент США N 4669955 (на никелевое покрытие наносится оксид циркония с добавками оксида магния).

Указанные выше керамические покрытия наносятся на поверхности деталей в основном электроплазменным напылением. Такой способ нанесения покрытий не обеспечивает равномерную толщину покрытия на всех участках деталей сложной конфигурации.

Известно также стеклокристаллическое покрытие ЭВК 103, получаемое из шликера с последующим обжигом на воздухе при температуре 1180^oC [С.С. Солнцев "Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали", 1984] Однако это покрытие разрушается при температурах около 650^oC из-за хрупкости и малой эрозионной стойкости.

По этой же причине разрушается стеклоэмалевое покрытие ЭС-1 по ОСТ-92-0959-75.

Известны также защитные покрытия, содержащие слой никеля, который наносится непосредственно на поверхность проточной части турбины и газовода (заявка Японии 54-21415, 1979 г. кл. C 23 D 5/10, а.с. N 1474182 C 25 D 5/50). Покрытие выполнено либо из одного никеля, либо многослойное, в котором поверх никеля нанесен слой другого покрытия. Адгезия никеля с материалом элемента конструкции обеспечивается с помощью термообработки.

Изделия, содержащие элементы конструкции с никелевым покрытием на их поверхностях, имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что у агрегатов после нанесения никелевого покрытия снижается усталостная прочность. Такой недостаток отрицательно влияет на ресурс работы агрегата, который особенно важен для конструкций ЖРД многоразового использования. Кроме того, эти покрытия не могут быть нанесены на цельноизготовленные изделия сложной формы, имеющие малые проходные сечения, полости и т.д.

Наиболее близким по составу к предлагаемому является металлокерамическое покрытие, описанное в а.с. N 916458. Масса для получения покрытия на стали содержит в своем составе мас.

Фритта 23-53 Порошок никеля 20-45 Бентонит 1-2 Вода 20-30 Недостатками прототипа являются низкая рабочая температура и значительный унос при температуре выше 750^oC.

Задачей изобретения является создание металлокерамического покрытия, стойкого к термоциклическому и эрозионному воздействию высокоскоростного и высокотемпературного потока кислородсодержащего газа, включающего инородные частицы, являющиеся инициаторами возгорания.

Другой задачей изобретения является создание способа получения защитного покрытия на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов.

Задача решена за счет того, что металлокерамическое покрытие, включающее никель, оксиды кремния, бора, бария, дополнительно содержит кремний, бор, хром, диборид титана, дисилицид молибдена при соотношении компонентов, мас.

Никель 40-55 Кремний 5-11 Бор 2-6 Хром 5-11 Диборид титана 2-7
Дисилицид молибдена 1-4
Оксид бария 8-19
Оксид кремния 4-9
Оксид бора 3-8
Задача получения металлокерамического покрытия на изделиях из сплавов на никелевой основе, стойкого в среде кислородсодержащего газа с высокой температурой, с частицами из сплава AM_r6 решена за счет нанесения нескольких слоев шликера на поверхность изделия, при этом сушку каждого слоя проводят на воздухе в течение времени, при котором происходит исчезновение влажных пятен на поверхности слоя, а обжиг первого слоя проводят при температуре старения указанных сплавов в течение 1-2 ч, а последующих слоев - при той же температуре в течение 20-30 мин.

Технический результат отсутствие дефектов в металлокерамическом покрытии изготовляемого изделия, повышение рабочей температуры покрытия, упрощение процесса нанесения покрытия, возможность нанесения на детали и узлы сложной формы, повышение прочности сцепления покрытия с металлом и обеспечение равномерной толщины покрытия на всех участках изделия, обеспечение заданной толщины покрытия за счет наслоения.

Для опробования предлагаемого металлокерамического покрытия и способа получения этого покрытия на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов были взяты мелкодисперсные порошки (менее 56 мкм) никеля, хрома, кремния, бора, дибората титана, дисилицида молибдена и предварительно сваренной из оксида бария, оксида бора, оксида кремния и измельченной стеклосвязки в требуемых согласно рецептуре количествах. В сухую шихту добавляют воду, часовярскую глину (3-5 мас. сверх 100 мас. сухой шихты) и приготавливают шликер.

Наносят шликер на детали методом окунания, залива или распыления в зависимости от сложности и конфигурации.

Сушат шликерные слои на воздухе до исчезновения влажных пятен либо при нагреве до 80-90^oC в сушильной камере или в потоке горячего газа (воздуха) при температуре 80-90^oC.

Формируют (обжигают) покрытие при нагреве в печи на воздухе при температуре 850±50^oC (температура старения дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов) в течение 1-2 ч для первого слоя и 20-30 мин для последующих слоев.

При изготовлении изделий из сплавов на никелевой основе: ЭП-202, ЭП-741НП, ЭП-99 обжиг шликерных слоев проводят при температурах 850±10^oC, 870±10^oC и 900±10^oC соответственно.

Пример конкретного использования. В качестве образцов были взяты пластинки 30х40х2 мм и стержни диаметром 6 мм, длиной 26 мм из никелевого сплава ЭП 741 НП и цельноизготовленный ротор турбонасосного агрегата ЖРД. Шликер наносили методом окунания. Сушили шликерный слой на воздухе до исчезновения влажных пятен, а затем в сушильном шкафу при температуре 80-90^oC. На ротор ТНА шликер наносили также методом окунания, при этом в процессе окунания его вращали в одной плоскости, а затем в процессе сушки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Обжигали покрытие при температурах 800, 850, 900^oC в обычной электропечи на воздухе. Первый слой обжигания в течение 1; 1,5; 2 ч, второй и третий в течение 20, 25, 30 мин.

Кроме того, были изготовлены образцы с покрытием, взятым в качестве прототипа.

Оценивали прочность сцепления покрытия с подложкой, термическую устойчивость и стойкость к возгоранию образцов с покрытием. О прочности сцепления судили по характеру скола покрытия от удара 0,5 кгс/м на копре по ГОСТ 4765-73.

Термически устойчивыми считали покрытия, выдержавшие без разрушения 25 термоциклов: 900^oC ⇄ 20^oC (вода).

Стойкость к возгоранию определяли по методике на специальной установке в потоке газообразного кислорода при давлении 150±10 кгс/см и температуре до 900^oC (при воздействии частиц сплава AM_г6 размером менее 0,4 мм, суммарной массой навески 0,05 г.).

Составы рецептур заявляемого металлокерамического покрытия с минимальными, максимальными и средними значениями содержания исходных компонентов и состав покрытия, взятого в качестве прототипа, приведены в табл.1.

Уменьшение в заявленном покрытии содержания никеля ниже минимальных значений приводит к охрупчиванию покрытия, уменьшение бора, диборида титана, оксидов бария, бора, кремния повышает температуру обжига покрытия.

Увеличение содержания компонентов выше максимальных значений приводит к снижению механической прочности, прочности сцепления, появлению избытка стеклофазы.

Режимы обжига и свойства покрытий указаны в табл.2.

Анализ представленных в табл. 2 данных позволяет сделать заключение о преимуществах предлагаемого покрытия по сравнению с прототипом. Оно прочно удерживается на никелевом сплаве, не скалывается, в то время как покрытие-прототип, предназначенное для нанесения на стали и оплавляющееся при температуре обжига, скалывается от удара и неработоспособно при температуре 900^oC, будучи в жидкотекучем состоянии. Предлагаемое покрытие при температуре испытания 900^oC находится в твердом состоянии, является прочным и стойким к воздействию высокоскоростного потока кислорода, содержащего расплавленные частицы алюминиевого сплава AM_r6 и к циклическому воздействию температур.

Опробованные покрытия на роторе турбонасосного агрегата ЖРД при разгонных испытаниях также показало, что покрытие прочно удерживается на детали сложной формы, имеющей острые кромки, и не разрушается при воздействии вибрационных нагрузок.

Использование предлагаемого металлокерамического покрытия и способа получения этого покрытия на изделия из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов обеспечивает надежную работоспособность теплонапряженных деталей и узлов ТНА ЖРД в условиях циклического воздействия потока кислородсодержащего газа, содержащего металлические частицы, например из сплава AM_r6, при температуре до 900^oC.

Формула изобретения

1. Порошковая шихта для получения защитного металлокерамического покрытия на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов, содержащая никель, оксиды бария, бора, кремния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кремний, бор, хром, борид титана и дисилицид молибдена при следующем соотношении компонентов, мас.

Никель 40 55
Оксид бария 8 19
Оксид бора 3 8
Оксид кремния 4 9
Кремний 5 11
Бор 2 6
Хром 5 11
Борид титана 2 7
Дисилицид молибдена 1 4
2. Способ получения из порошковой шихты защитного покрытия на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов, включающий приготовление шликера путем смешивания порошковой шихты, содержащей никель, оксиды бария, бора, кремния с водой, нанесение ее на поверхность изделия, сушку и обжиг, отличающийся тем, что смешивают шихту, дополнительно содержащую кремний, бор, хром, борид титана, дисилицид молибдена, с водой и часоварской глиной, шликер наносят в несколько слоев, сушку каждого слоя осуществляют в течение времени, необходимого для исчезновения на поверхности влажных пятен, а обжиг проводят при температуре старения никелевых сплавов, причем первый слой обжигают в течение 1 2 ч, а последующие слои в течение 20 30 мин.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что шликер наносят на поверхность изделия заливкой.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что шликер наносят на поверхность изделия окунанием.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при нанесении шликера окунанием изделия вращают в одной, а при последующей сушке в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что сушку каждого шликерного слоя проводят на воздухе при 80 90^oС.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что сушку каждого слоя проводят в потоке горячего воздуха при 80 90^oС.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что обжиг проводят в электропечи на воздухе.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что первый слой наносят толщиной 30
40 мкм.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что второй и последующие слои наносят толщиной 30 35 мкм.

11. Способ по п.2, отличающийся тем, что при нанесении шликера на никелевый сплав ЭП-202 обжиг проводят при (950±10)^oС.

12. Способ по п.2, отличающийся тем, что при нанесении шликера на никелевый сплав ЭП-741НП, обжиг проводят при (870±10)^oС.

13. Способ по п.2, отличающийся тем, что при нанесении шликера на никелевый сплав ЭП-99 обжиг проводят при (900±10)^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2