Способ нанесения покрытий на сплавы

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к разделу химико-термической обработки сплавов, и может быть использовано для увеличения долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей или стационарных газовых турбин. Техническим результатом изобретения является повышение пластичности и трещинностойкости покрытия. Способ включает последовательное нанесение слоя покрытия на основе никеля, нанесение слоя покрытия на основе алюминия и тепловую обработку в инертной среде, для нанесения слоя покрытия на основе никеля используют сплав следующего состава, мас.%: хром 2-30, алюминий 2-15, тантал 0,2-20, вольфрам 0,5-10, гафний 0,2-6, иттрий 0,001-5, кремний 0,1-5, никель - остальное, причем после нанесения слоя покрытия на основе алюминия тепловую обработку сплава с нанесенным покрытием осуществляют при температуре не ниже 700^oС, после чего проводят термическую обработку при температуре Т≤1,05 Т_зак, где Т_зак - температура закалки сплава, на который наносят покрытие. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к разделу химико-термической обработки сплавов, и может быть использовано, например, для увеличения долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей или стационарных газовых турбин.

Известен способ нанесения покрытий на сплавы путем двухстадийной обработки, включающий последовательное нанесение первого слоя покрытия из сплава на основе никеля методом вакуумно-плазменного напыления, второго слоя покрытия - на основе алюминия - хромоалитированием и последующую термическую обработку покрытия (патент РФ 2073742, МПК 6: С 23 С 4/08, БИ 5 за 1997 г.) - аналог.

Нанесение первого слоя покрытия на основе никеля осуществляют сплавом следующего состава: хром - 28-30%, алюминий - 6-8%, тантал - 8-10%, иттрий - 0,8-1,5%, никель - остальное до 100%. После нанесения второго слоя покрытия на основе алюминия сплав подвергают закалке в вакууме при температуре 1160-1200^oС в течение 1-2 ч с последующим отпуском в вакууме при температуре 900-1000^oС в течение 1-2 ч.

Недостатком данного способа является низкая пластичность покрытия, обусловленная довольно высоким содержанием алюминия и значительной толщиной покрытия.

Известен способ получения покрытия на деталях из никелевых, кобальтовых сплавов, заключающийся в том, что первый слой покрытия наносят методом плазменного напыления с использованием сплава следующего состава, мас.%: алюминий - 3-7, хром - 15-30, элементы, выбранные из группы редкоземельных металлов - до 5%, основа (никель, кобальт, железо) - остальное до 100%.

Второй слой покрытия наносится методом плазменного напыления из порошка сплава следующего состава, мас.%: алюминий - 25-35, хром -10-30, элементы из группы иттрий, скандий, церий, гафний, цирконий, титан, тантал - до 10, основа (железо, кобальт, никель) - остальное до 100%.

Затем сплав, с нанесенным на него покрытием, подвергают тепловой обработке в инертной среде в течение 1-10 ч при температуре 1037^o-1205^oС (патент Великобритании 2007263, МКИ 2: С 23 С 7/00, опубликовано 31.10.1977 г.) - прототип.

Недостатком данного способа является то, что оба слоя покрытия наносятся методом плазменного напыления с использованием порошковых сплавов. В результате получаемое покрытие содержит большое количество полостей (до 5%), которые заполняются оксидами иттрия и других редкоземельных металлов при тепловой обработке. Наличие оксидов в слое ухудшает прочность и пластичность покрытия, снижает адгезию слоя к основному металлу. Высокое содержание алюминия во втором слое покрытия также способствует дополнительному ухудшению характеристик пластичности покрытия.

Задачей данного изобретения является повышение пластичности и трещинностойкости покрытия.

Она решается в способе нанесения покрытий на сплавы, который предусматривает последовательное нанесение слоя покрытия на основе никеля, нанесение слоя покрытия на основе алюминия и тепловую обработку в инертной среде, для нанесения слоя покрытия на основе никеля используют сплав следующего состава: хром - 2-30%, алюминий 2-15%, тантал 0,2-20%, вольфрам 0,5-10%, гафний 0,2-6%, иттрий 0,001-5%, кремний 0,1-5%, никель - остальное до 100%, причем тепловую обработку сплава осуществляют при температуре не ниже 700^oС, после чего проводят термическую обработку при температуре Т≤1,05 Т_зак, где Т_зак - температура закалки сплавов, на которые наносят покрытия.

Для решения задачи направленного формирования оксидной пленки в способе нанесения покрытий на сплавы после термообработки может быть осуществлено изотермическое окисление сплава с покрытием при температуре не менее 600^oС.

Для решения задачи восстановления и усиления защитных свойств покрытия, при осуществлении способа нанесения покрытий на сплавы, после термической обработки, на сплав может дополнительно быть нанесен слой покрытия на основе алюминия следующего состава, мас.%: кремний 0,2-10, иттрий 0,1-4, алюминий - остальное до 100%, с последующим отжигом.

Для решения задачи направленного формирования оксидной пленки в способе нанесения покрытий на сплавы после отжига может быть осуществлено изотермическое окисление сплава при температуре не менее 600^oС.

Направленное формирование оксидной пленки путем изотермического окисления позволяет получить плотный и равномерный слой защитной оксидной пленки, равномерно распределенной по профилю защищаемой детали. Тогда как в условиях неравномерного нагрева детали, например, в газовом потоке при работе газотурбинной установки защитная пленка формируется неравномерно и возникает ее "пятнистость", что ухудшает защитные свойства покрытий.

Предлагаемое формирование оксидной пленки обеспечивает значительное уменьшение дефектов структуры оксидной пленки, ее адгезии и уменьшает скалывание пленки в газовом потоке.

Первый слой покрытия, который наносят с использованием сплава на основе никеля, обычно имеет толщину 10-80 мкм. Нанесение покрытий на основе никеля может быть реализовано довольно большим числом методов, например: плазменного напыления, электронно-лучевого напыления, электродугового катодного напыления, магнетронного напыления, вакуумно-плазменной технологии высоких энергий и т.д.

Метод плазменного напыления - при котором покрытие формируется из мелких расплавленных частиц, которые переносятся на поверхность при распылении плазмой проволоки, стержней или из порошка сплава для покрытия. В потоке плазмы частицы порошка нагреваются примерно до 10000 К, расплавленные частицы падают на поверхности деталей, растекаются и кристаллизуются. Покрытие формируется путем последовательной укладки деформирующихся частиц. Плазменное напыление может осуществляться в вакууме или на воздухе. В качестве плазмообразующих газов могут быть использованы - аргон, гелий, водород или азот. При использовании этого метода детали нагревают плазменным пистолетом до 550-1100^oС. Скорость потока плазменного газа (80% аргона + 20% водорода) достигает 2 М. Плотность покрытия достигает 99%. Структура покрытия - субмелкозернистая.

Электронно-лучевое напыление осуществляется испарением сплава покрытия путем бомбардировки его потоком электронов. Испарившийся сплав конденсируется на поверхности детали. Покрытие формируется из парового потока, который состоит из нейтральных атомов. Скорость испарения составляет примерно •10^-3 (гс^-1•см²). Скорость роста толщины слоя достигает 250-300 (нм•с^-1). Кристаллы покрытия растут преимущественно в направлении, перпендикулярном покрываемым поверхностям, и образуют столбчатую структуру. Для увеличения плотности покрытия его подвергают обработке стеклянными шариками и затем рекристаллизационному отжигу при температуре 950-1000^oС.

Лазерное напыление осуществляют с использованием энергии лазера. Скорость роста толщины слоя составляет 5-10 (мм•с^-1). Защита от окисления при напылении осуществляется использованием защитных газов, например аргона. Скорость потока частиц при напылении с помощью газового лазера достигает 8-10 (мм•с^-1).

Приведенные методы позволяют облегчить процесс управления качественным и количественным составом покрытий, наносимых на сплавы, путем использования предварительно выплавленных слитков сплавов.

Однако применение ряда методов, прежде всего электронно-лучевого, плазменного, электродугового катодного напыления слитков сплавов имеет ряд недостатков, например: - высокая пористость получаемых покрытий; - неравномерность толщины покрытий, особенно при нанесении покрытий на детали сложной формы.

Этих недостатков лишены методы нанесения покрытий на основе алюминия, например методы диффузионного нанесения покрытий: газовое, или шликерное, или порошковое алитирование, хромоалитирование, алюмосилицирование и т.д.

Новым направлением является создание и нанесение многокомпонентных высокотемпературных покрытий на базе последовательного нанесения покрытий на основе никеля и на основе алюминия.

Сплав для нанесения покрытия на основе никеля легируют хромом, алюминием, танталом, вольфрамом, гафнием, иттрием и кремнием, что позволяет уменьшить скалывание оксидной пленки при изотермическом окислении.

Основное назначение хрома в сплаве состоит в обеспечении высокой жаростойкости при сравнительно низком содержании алюминия. Высокое содержание хрома в покрытии стабилизирует хрупкие образования -σ фазы. С этой целью содержание хрома в сплаве должно быть не менее 2%. В то же время, содержание хрома в сплаве не должно быть выше 30%, так как при чрезмерно высоком содержании хрома заметно снижается сопротивление покрытия высокотемпературному окислению.

Заметный эффект от введения алюминия в слой покрытия с использованием сплава на основе никеля наблюдается при содержании алюминия в сплаве не менее 2%. При содержании алюминия более 15% ухудшается технологичность покрытия, снижается адгезия, повышается концентрация дефектов в указанном слое, которые сохраняются при последующем нанесении слоя покрытия на основе алюминия. В конечном итоге наблюдается снижение защитных качеств покрытия и ухудшение характеристик его долговечности.

Тантал обеспечивает увеличение долговечности слоя покрытия путем увеличения прочности атомных связей в структуре покрытия и является эффективным элементом торможения диффузии атомов из сплава в покрытие. Кроме того, тантал повышает сопротивление высокотемпературному окислению, в частности γʹ-фазы, особенно при циклическом окислении. Содержание тантала в сплаве меньше 0,2% недостаточно для существенного изменения свойств покрытия, так как сопротивление высокотемпературному окислению изменяется незначительно, в то же время при использовании сплава с указанной совокупностью элементов концентрация тантала свыше 20% приводит к образованию хрупких фаз покрытия, что ухудшает характеристики его долговечности.

Вольфрам вводят в состав сплава для торможения диффузии элементов, снижения температуры перехода покрытия из хрупкого в пластичное состояние при нагревании. Вольфрам содержится в покрытии во вторичных, твердых растворах. Положительный эффект от введения вольфрама достигается при содержании вольфрама в сплаве не менее 0,5%. При содержании вольфрама более 10% образуются топологически плотноупакованные фазы типа μ, что сопровождается резким уменьшением долговечности покрытия.

Гафний, иттрий и кремний в покрытии обеспечивают повышенную долговечность слоя путем улучшения сцепления оксидной пленки с металлическим покрытием как за счет известного "штифтового" механизма, так и за счет связывания примесей серы в тугоплавкие сульфиды и предотвращения тем самым образования полостей, наполненных газообразными оксидами серы, которые вызывают откалывание оксидной пленки в процессе окисления.

Усиление защитных свойств оксидной пленки достигается при введении гафния и кремния, соответственно не менее 0,2% гафния и не менее 0,1% кремния. Чрезмерное содержание гафния более 6% и кремния более 5% нежелательны, так как растворимость элементов в основных фазах покрытия ограничена, а образование дополнительных соединений ухудшает характеристики долговечности покрытия.

Положительный эффект от введения в сплав иттрия наблюдается при содержании иттрия в слое не менее 0,001%. Слишком большое содержание иттрия более 5% нецелесообразно из-за уменьшения сопротивления высокотемпературному окислению, что связано с заметным увеличением количества оксида иттрия в слое покрытия.

Никель как основа покрытия выбран с целью обеспечения формирования слоя алюминидов никеля, которые обладают более высоким сопротивлением высокотемпературному окислению, по сравнению с алюминидами кобальта или железа.

Поскольку понятие "сплавы" принято трактовать как тела, образовавшиеся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов (химически индивидуальных веществ), то в понятие сплавы могут быть включены и стали. Сплавы могут состоять либо только из металлов, либо из металлов с небольшим содержанием неметаллов (например, чугун и сталь сплав железа с углеродом) - это металлические сплавы (см. Большой энциклопедический политехнический словарь / Под редакцией А.Ю. Ишлинского. М.: Научное издательство "Большая Российская энциклопедия", 1998, с. 498).

Предлагаемый способ нанесения покрытий на сплавы может найти широкое применение как для деталей с небольшим сроком службы, но работающих при высоких значениях термоциклических нагрузок, так и для деталей, которые должны обладать продолжительным сроком службы в условиях больших термоциклических нагрузок. В первом случае, как правило, осуществляют нанесение двух слоев покрытия, тепловую обработку сплава с покрытием (газостатирование) и последующую термообработку. Во втором случае после указанных операций проводят дополнительное нанесение слоя покрытия на основе алюминия и термообработку.

Примеры нанесения комбинированного защитного покрытия на сплавы ЖС 32, ЖС 26 ВСНК, ЖС 6У.

Пример 1.

Для получения покрытия был подготовлен сплав, содержащий: хром - 15%, алюминий - 10%, тантал - 6%, вольфрам - 2%, гафний - 1,5%, иттрий - 0,6%, кремний - 1,5%, никель - остальное до 100%.

Детали из сплавов ЖС 32, ЖС 26 ВСНК, и ЖС 6У нагревали в вакууме до 900^oС и наносили методом вакуумно-плазменного катодного напыления слой покрытий из сплава на основе никеля толщиной 10-60 мкм. После этого детали подвергали хромоалитированию при температуре 1000^oС в течение 4 ч. Затем детали подвергали тепловой обработке в газостате при температуре 1210^oС в течение 2,5 ч в среде аргона при давлении 170 МПа и последующей закалке в вакууме при температуре 1200^oС в течение 1 ч 50 мин. Получали покрытие толщиной 0,04-0,05 мм, содержащее 13-15% алюминия.

Пример 2.

Для получения покрытия был подготовлен сплав, содержащий: хром - 15%, алюминий - 8%, тантал - 6%, вольфрам - 2%, гафний - 1,5%, иттрий - 0,8%, кремний - 1,5%, никель - остальное до 100%.

Детали из сплавов ЖС 32 (температура закалки 1280^o), ЖС 26 ВСНК (температура закалки 1260^o), и ЖС 6У (температура закалки 1230^oС) нагревали в вакууме до 900^oС и наносили методом вакуумно-плазменного катодного напыления слой покрытий из сплава на основе никеля - толщиной 10-60 мкм. После этого детали подвергали хромоалитированию при температуре 1000^oС в течение 3 ч. Затем детали подвергали тепловой обработке в газостате при температуре 1215^oС в течение 3 ч в инертной среде (аргона) при давлении 170 МПа и последующей закалке в вакууме при температуре 1210^oС в течение 1 ч 25 мин. Получали покрытие толщиной 0,04-0,05 мм, содержащее 13-14% алюминия. После этого наносили слой сплава на основе алюминия следующего состава: кремний - 5%, иттрий - 1%, алюминий - остальное и отжигали при температуре 1050^oС в течение 3 ч. Получали покрытие с содержанием алюминия в его поверхностном слое 19-22%. Для формирования защитной оксидной пленки детали с покрытием нагревали в вакууме в течение 3 ч при температуре 900^oС.

После проведения испытания покрытий, полученных с применением данного способа, получены следующие результаты: - покрытия, полученные предлагаемым способом превосходят по вязкости покрытия, полученные известным способом в 3,5 раза; - работа, затраченная на образование трещины единичной длины составляет для предлагаемого способа 4,1 Дж/мкм, а для известного способа - 1,17 Дж/мкм; - относительное удлинение твердой пленки покрытия для предлагаемого способа составляет 2,1%, а для известного - 0,7%.

Повышение пластичности и вязкости защитных покрытий позволяет увеличить долговечность сплавов, на которые нанесены такие покрытия и, следовательно, деталей, изготовленных из этих сплавов.

Формула изобретения

1. Способ нанесения покрытий на сплавы, включающий последовательное нанесение слоя покрытия из сплава на основе никеля, нанесение слоя покрытия на основе алюминия и тепловую обработку сплава с нанесенным покрытием в инертной среде, отличающийся тем, что первый слой покрытия наносят из сплава на основе никеля, содержащего, мас. %: хром 2-30, алюминий 2-15 тантал 0,2-20, вольфрам 0,5-10, гафний 0,2-6, иттрий 0,001-5, кремний 0,1-5, никель остальное до 100, тепловую обработку сплава осуществляют при температуре не менее 700^oС, после чего осуществляют термообработку при температуре Т ≤ 1,05 Т_зак, где Т_зак - температура закалки сплава, на который наносят покрытие.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после термообработки осуществляют изотермическое окисление сплава при температуре не менее 600^oС.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после термообработки осуществляют нанесение дополнительного слоя покрытия из сплава на основе алюминия, содержащего. мас. %: кремний 0,2-10, иттрий 0,1-4, алюминий остальное до 100, с последующим отжигом.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после отжига осуществляют изотермическое окисление сплава при температуре не менее 600^oС.