Металлическое покрытие (варианты) и способ его нанесения

Изобретения относятся к металлическим покрытиям и способам их нанесения и могут быть использованы при изготовлении газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур. Металлическое покрытие содержит до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель. Способ его нанесения характеризуется тем, что сначала создают подложку из по крайней мере одного из металлических материалов на основе никеля, кобальта или железа, а затем наносят покрывочный слой. Изобретения позволяют получать покрытия с высокой стойкостью к окислению и усталостной прочностью. 8 с. и 25 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к металлическим покрытиям, обладающим стойкостью к окислению и усталостной прочностью, предназначенным для защиты элементов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур.

Уровень техники

Для защиты от окисления элементов газотурбинных двигателей, подверженных воздействию высоких температур, ранее были разработаны различные металлические покрытия. Основу данных покрытий нередко составляют разнообразные алюминидные композиции, в которые входят металлические материалы на основе никеля или кобальта. В альтернативном варианте основой композиции может быть слой осаждаемого покрытия состава MCrAlY, где М означает никель, кобальт, железо или сочетание этих материалов. Указанным покрытиям присущи недостатки, которые не позволяют использовать их для более новых, перспективных элементов газовых турбин. Диффузные алюминиды наряду с хорошей усталостной прочностью (сопротивлением усталости) обычно не обладают стойкостью к окислению при очень высоких температурах свыше 1100°С (2000°F). Применение покрытий состава MCrAlY ограничено в силу их существенно невысокой усталостной прочности. Введение активных элементов в покрытия состава MCrAlY позволяет обеспечить не только очень высокую стойкость к окислению, но и делает их вполне пригодными для использования в качестве связующего компонента в керамических покрытиях, создающих термический барьер. В качестве ближайшего аналога настоящего изобретения рассматривается патент RU 2149202, опубликованный 20.05.2000, в котором раскрыт защитный слой, содержащий хром, галлий и по выбору алюминий, кремний, иттрий, скандий, редкоземельные элементы, а также основу, включающую по выбору железо, кобальт или никель. Однако известное техническое решение не позволяет минимизировать разницу в степени термического расширения между покрытием и сплавом, используемым, в частности, для изготовления элементов газотурбинных двигателей. В то время как алюминиды и покрытия состава MCrAlY применяются для широкого круга задач, новое покрытие, способное сочетать в себе достоинства обоих групп материалов, непосредственно предназначено для использования в перспективных элементах газовых турбин, где усталость, растягивающие нагрузки и окисление должны сводиться к минимуму.

Сущность изобретения

Соответственно задачей настоящего изобретения является создание состава (композиции) металлического покрытия, обладающего высокими стойкостью к окислению и усталостной прочностью.

Другой задачей настоящего изобретения является создание состава покрытия с меньшей разницей теплового расширения между самим покрытием и обычным сплавом, применяемым для изготовления турбин.

Вышеназванные задачи достигаются при помощи всей совокупности признаков прилагаемой формулы изобретения, описывающей состав покрытий и способ нанесения покрытия на подложку из по крайней мере одного из металлических материалов на основе никеля, кобальта или железа в соответствии с настоящим изобретением.

В общем в соответствии с настоящим изобретением предлагается металлическое покрытие и способ нанесения на подложку покрывочного слоя, которые создают посредством композиции в основном следующего состава: до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель. Причем общее содержание тантала и вольфрама в составе покрытия в соответствии с настоящим изобретением лежит в интервале от 3,0 до 16 мас.%.

Прочие особенности металлических покрытий, стойких к окислению и усталости, в соответствии с настоящим изобретением, а также иные цели и преимущества, присущие им, изложены в нижеследующем подробном описании.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Элементы газотурбинных двигателей изготавливаются из сплавов на основе никеля, кобальта и железа. По причине чрезвычайно высоких температур, в которых осуществляется эксплуатация этих элементов, они нуждаются в нанесении защитного покрытия. Композиция таких покрытий должна сводить к минимуму усталостные нагрузки, воздействующие на эти элементы, и в то же самое время обеспечивать наибольшую стойкость к окислению. Покрытие также должно быть таковым, чтобы разница в степени термического расширения между покрытием и сплавом(ами), используемом для изготовления элементов газотурбинных двигателей, была наименьшей. Различная степень термического расширения и является одной из причин ухудшения усталостной прочности покрытий состава MCrAlY.

В соответствии с настоящим изобретением разработка металлических покрытий была направлена на снижение разницы в степени термического расширения и обеспечение наиболее близкого к желаемому уровня стойкости к окислению и усталости. Причем данные металлические покрытия, которые наносят в виде покрывочного слоя на подложку, создаваемую из по крайней мере одного из металлических материалов на основе никеля, кобальта или железа, в основном содержат в общем случае до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель. Содержание тантала и вольфрама в общем составе данных покрытий лежит в интервале от 3,0 до 16 мас.%.

В соответствии с вышеупомянутым обобщенным составом покрытий, которые в соответствии с изобретением наносят на подложку, первое их семейство, особенно пригодное для нанесения на элементы газотурбинных двигателей, в основном содержит до 15 мас.%, предпочтительно до 2,0 мас.%, кобальта; от 5,0 до 18 мас.%, предпочтительно от 10 до 15 мас.%, хрома; от 5,0 до 12 мас.%, предпочтительно от 6,0 до 10 мас.%, алюминия; от 0,1 до 1,0 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,7 мас.%, иттрия; до 0,6 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,6 мас.%, гафния; до 0.3 мас.%, предпочтительно 0,1 мас.% или менее, кремния; от 3,0 до 10 мас.%, предпочтительно от 5,0 до 7,0 мас.%, тантала; до 5,0 мас.%, предпочтительно от 1,0 до 4,0 мас.%, вольфрама; от 1,0 до 6,0 мас.%, предпочтительно от 1,0 до 3,5 мас.%, рения; до 10 мас.%, предпочтительно 4,0 мас.% или менее, молибдена, а остальное составляет никель. Причем общее содержание тантала и вольфрама в данных металлических покрытиях лежит в интервале от 3,0 до 12 мас.% и предпочтительно в интервале от 5,0 до 9,0 мас.%.

Среди покрытий первого семейства особенно пригодный состав покрытия содержит 12,5 мас.% хрома, 8 мас.% алюминия, от 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 6,0 мас.% тантала, 2,0 мас.% вольфрама, 2,0 мас.% рения, а остальное составляет никель.

Второе семейство составов для металлических покрытий, которые в соответствии с изобретением наносят на подложку, содержит от 2,0 до 18 мас.%, предпочтительно от 8,0 до 12 мас.%, кобальта; от 3,0 до 10 мас.%, предпочтительно от 4,0 до 6,5 мас.%, хрома; от 5,5 до 15 мас.%, предпочтительно от 7,5 до 12,5 мас.%, алюминия; от 0,1 до 1,0 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,7 мас.%, иттрия; до 0,6 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 0,6 мас.%, гафния; до 0,3 мас.% кремния; от 3,0 до 10 мас.%, предпочтительно от 5,0 до 7,0 мас.%, тантала; от 1,0 до 9,0 мас.%, предпочтительно от 4,2 до 5,8 мас.%, вольфрама; от 1,0 до 5,0 мас.%, предпочтительно от 2,3 до 3,7 мас.%, рения; от 0,2 до 4,0 мас.%, предпочтительно от 1,4 до 2,0 мас.%, молибдена, а остальное составляет никель. Причем общее содержание тантала и вольфрама в данных металлических покрытиях лежит в интервале от 3,0 до 12 мас.% и предпочтительно в интервале от 5,0 до 9,0 мас.%.

Среди покрытий второго семейства особенно подходящий состав покрытия содержит 10,5 мас.% кобальта, 5,0 мас.% хрома, 9,0 мас.% алюминия, 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 0,1 мас.% кремния, 6,0 мас.% тантала, 5,0 мас.% вольфрама, 3,0 мас.% рения, 1,7 мас.% молибдена, а остальное составляет никель.

Причина ухудшения усталостной прочности покрытия кроется в его избыточной толщине. К распространенным методам нанесения покрывочного слоя относятся процессы термического напыления, такие как плазменное напыление под низким давлением (ПННД), когда толщина покрытия лежит в интервале от 0,1 до 0,3 мм (0,004 до 0,012 дюймов). При помощи процессов катодного плазменно-дугового напыления возможно нанесение покрытий вышеуказанных составов толщиной 0,05 мм (0,002 дюйма). Методы нанесения покрытий в соответствии с настоящим изобретением при помощи катодного плазменно-дугового напыления описаны в патентах США № 5972185; 5932078; 6036828; 5792267 и 6224726, общей чертой которых является ссылка на данный метод. Возможно также использование и прочих методов нанесения покрытия, в том числе других процессов плазменного напыления, таких как магнетронное распыление и электронно-лучевое плазменное напыление. Когда толщина покрытия не является определяющей, могут применяться процессы термического напыления, такие как плазменное напыление под низким давлением, и процессы напыления высокоскоростным кислородно-топливным потоком.

Покрытия, имеющие состав в соответствии с настоящим изобретением, показали сопротивление термической усталости на уровне лучших по данному параметру диффузных алюминидных покрытий. В таблице ниже представлены сравнительные результаты испытаний образцов покрытий составов согласно настоящему изобретению и из прочих составов в процессе их циклического окисления в пламени горелки при температуре 1150°С (2100°F).

Испытание на циклическое окисление в пламени горелки при температуре 1150°С (2100°F)
Образец N	Толщина (мм)	Время до разрушения покрытия (часы)	Время до разрушения покрытия (часы)**	Время наработки системы на отказ (часы)	Время наработки системы на отказ (часы)**
701	0,075	2320	1573	2713	1839
702	0,079	4105	2648	6285	4055
703	0,069	1591	1179	1932	1431
699	0,084	3060	1855	3622	2195
700	0,055	1170	1088	1399	1301
697	0,06	982	818	1045	871
695	0,071	826	590	1315	939
696	0,062	676	552	805	657
PWA 275	0,05	115	115	366	366
Примечания: ** При доведении толщины покрытия до 0,05 мм (2 мил).

Образцы, изготовленные из материала 701, имели следующий состав: 12,5 мас.% хрома, 8,0 мас.% алюминия, от 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 6,0 мас.% тантала, 2,0 мас.% вольфрама, 2,0 мас.% рения, остальное составлял никель. Образцы, изготовленные из материала 702, имели следующий состав: 10,5 мас.% кобальта, 5,0 мас.% хрома, 9,0 мас.% алюминия, от 0,4 до 0,7 мас.% иттрия, 0,4 мас.% гафния, 0,1 мас.% кремния, 6,0 мас.% тантала, 5,0 мас.% вольфрама, 3,0 мас.% рения, 1,7 мас.% молибдена, а остальное составлял никель.

Образцы, обозначенные номером 703, имели следующий состав: 7,0 мас.% хрома, 6,0 мас.% алюминия, 5,5 мас.% вольфрама, 4,0 мас.% тантала, 2,0 мас.% рения, 4,0 мас.% рутения, 0,5 мас.% молибдена, 0,4 мас.% гафния, 0,25 мас.% иттрия, а остальное составлял никель.

Образцы, обозначенные номером 699, имели состав NiCoCrAlY, содержащий рений и тантал. Образцы, обозначенные номерами 700, 697, 695, и 696, имели состав NiAl, содержащий от 2 до 4 мас.% хрома, от 0,2 до 0,6 мас.% иттрия и 0,4 мас.% гафния. Образцы, обозначенные PWA 275, представляли собой стандартные алюминиды NiAl с низкой активностью.

По условиям испытаний образцы находились в течение 57 минут при температуре 1150°С (2100°F) и каждый час охлаждались сжатым воздухом в течение 3 минут. В горелку подавался подогретый сжатый воздух, смешанный с топливом для реактивных двигателей JP8 для нагрева образцов в динамических условиях.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается металлическое покрытие, обладающее стойкостью к окислению и усталостной прочностью, которое полностью отвечает вышеуказанным задачам, может быть получено упомянутыми выше средствами и обладает названными выше преимуществами. Поскольку описанием настоящего изобретения был охвачен частный вариант его осуществления, специалистам в данной области техники станут очевидны и иные альтернативные варианты воплощения, разновидности и модификации изобретения при ознакомлении с вышеизложенным описанием. Соответственно изобретение создавалось с целью охватить эти альтернативные варианты воплощения, разновидности и модификации, лежащие в пределах объема притязаний, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

1. Металлическое покрытие, обладающее стойкостью к окислению и усталостной прочностью, отличающееся тем, что оно имеет следующий состав, мас.%:

Кобальт До 18

Хром 3,0-18

Алюминий 5,0 - 15

Иттрий 0,1 - 1,0

Гафний До 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 3,0 - 10

Вольфрам До 9,0

Рений 1,0 - 6,0

Молибден До 10

Никель Остальное

2. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 3,0 до 16 мас.%.

3. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что содержание кобальта составляет менее 15 мас.%, содержание хрома составляет от 5,0 до 18 мас.%, содержание алюминия составляет от 5,0 до 12 мас.%, а содержание вольфрама составляет менее 5,0 мас.%.

4. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что содержание кобальта составляет от 2,0 до 18 мас.%, содержащие хрома составляет от 3,0 до 10 мас.%, содержание алюминия составляет от 5,5 до 15 мас.%, содержание рения составляет от 1,0 до 5,0 мас.%, а содержание молибдена составляет от 2,0 до 4,0 мас.%.

5. Металлическое покрытие по п.1, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 4,0 до 16 мас.%.

6. Металлическое покрытие, отличающееся тем, что оно имеет в основном следующий состав, мас.%:

Кобальт До 15

Хром 5,0 - 18

Алюминий 5,0 - 12

Иттрий 0,1 - 1,0

Гафний До 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 3,0 - 10

Вольфрам До 5,0

Рений 1,0 - 6,0

Молибден До 10

Никель Остальное

7. Металлическое покрытие по п.6, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 3,0 до 12 мас.%.

8. Металлическое покрытие по п.6, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 5,0 до 9,0 мас.%.

9. Металлическое покрытие по п.6, отличающееся тем, что содержание кобальта составляет менее 2,0 мас.%, содержание хрома составляет от 10 до 15 мас.%, содержание алюминия составляет от 6,0 до 10 мас.%, содержание иттрия составляет от 0,2 до 0,7 мас.%, содержание гафния составляет от 0,2 до 0,6 мас.%, содержание кремния составляет меньше 0,1 мас.%, а содержание тантала составляет от 5,0 до 7,0 мас.%.

10. Металлическое покрытие по п.6, отличающееся тем, что содержание хрома составляет 12,5 мас.%, а содержание алюминия составляет 8,0 мас.%.

11. Металлическое покрытие по п.9, отличающееся тем, что содержание иттрия составляет от 0,4 до 0,7 мас.%, а содержание гафния составляет 0,4 мас.%.

12. Металлическое покрытие по п.6, отличающееся тем, что содержание рения составляет от 1,0 до 3,5 мас.%, предпочтительно 2,0 мас.%.

13. Металлическое покрытие по п.6, отличающееся тем, что содержание молибдена составляет не более 4,0 мас.%.

14. Металлическое покрытие, отличающееся тем, что имеет в основном следующий состав, мас.%:

Кобальт До 2,0

Хром 10 - 15

Алюминий 6,0 - 10

Иттрий 0,2 - 0,7

Гафний 0,2 - 0,6

Кремний 0,001 - 0,1

Тантал 5,0 - 7,0

Вольфрам 1,0 - 4,0

Рений 1,0 - 3,5

Молибден До 4,0

Никель Остальное

15. Металлическое покрытие по п.14, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 6,0 до 9,0 мас.%.

16. Металлическое покрытие, отличающееся тем, что имеет следующий состав, мас.%:

Хром 12,5

Алюминий 8,0

Иттрий 4,0 - 0,7

Гафний 0,4

Тантал 6,0

Вольфрам 2,0

Рений 2,0

Никель Остальное

17. Металлическое покрытие, отличающееся тем, что оно имеет в основном следующий состав, мас.%:

Кобальт 2,0 - 18

Хром 3,0 - 10

Алюминий 5,5 - 15

Иттрий 0,1 - 1,0

Гафний До 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 3,0 - 10

Вольфрам 1,0 - 9,0

Рений 1,0 - 5,0

Молибден 0,2 - 4,0

Никель Остальное

18. Металлическое покрытие по п.17, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 4,0 до 16 мас.%.

19. Металлическое покрытие по п.17, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 7,0 до 12 мас.%.

20. Металлическое покрытие по п.17, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет 11 мас.%.

21. Металлическое покрытие по п.17, отличающееся тем, что содержание кобальта составляет от 8,0 до 12 мас.%, содержание хрома составляет от 4,0 до 6,5 мас.%, содержание алюминия составляет от 7,5 до 12,5 мас.%, содержание иттрия составляет от 0,2 до 0,7 мас.%, содержание гафния составляет от 0,2 до 0,6 мас.%, содержание кремния составляет менее 0,1 мас.%, а содержание тантала составляет от 5,0 до 7,0 мас.%.

22. Металлическое покрытие по п.17, отличающееся тем, что содержание кобальта составляет 10,5 мас.%, содержание хрома составляет 5,0 мас.%, содержание алюминия составляет 9,0 мас.%, содержание иттрия составляет от 0,4 до 0,7 мас.%, содержание гафния составляет 0,4 мас.%, а содержание тантала составляет 6,0 мас.%.

23. Металлическое покрытие по п.17, отличающееся тем, что содержание вольфрама составляет от 4,2 до 5,8 мас.%, содержание рения составляет от 2,3 до 3,7 мас.%, а содержание молибдена составляет от 1,4 до 2,0 мас.%.

24. Металлическое покрытие по п.17, отличающееся тем, что содержание вольфрама составляет 5,0 мас.%, содержание рения составляет 3,0 мас.%, а содержание молибдена составляет 1,7 мас.%.

25. Металлическое покрытие, отличающееся тем, что оно имеет в основном следующий состав, мас.%:

Кобальт 8,0 - 12

Хром 4,0 - 6,5

Алюминий 7,5 - 12,5

Иттрий 0,2 - 0,7

Гафний 0,2 - 0,6

Кремний До 0,3

Тантал 5,0 - 7,0

Вольфрам 4,2 - 5,8

Рений 2,3 - 3,7

Молибден 1,4 - 2,0

Никель Остальное

26. Металлическое покрытие по п.25, отличающееся тем, что общее содержание тантала и вольфрама составляет от 9,2 до 12 мас.%.

27. Металлическое покрытие, отличающееся тем, что оно имеет следующий состав, мас.%:

Кобальт 10,5

Хром 5,0

Алюминий 9,0

Иттрий 0,4 - 0,7

Гафний 0,4

Кремний 0,1

Тантал 6,0

Вольфрам 5,0

Рений 3,0

Молибден 1,7

Никель Остальное

28. Способ нанесения покрытия, в котором сначала создают подложку из по крайней мере одного из металлических материалов на основе никеля, кобальта, или железа, а затем наносят на подложку покрывочный слой, отличающийся тем, что покрывочный слой создают посредством композиции в основном следующего состава: до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что нанесение покрывочного слоя осуществляют посредством катодного дугового процесса или процесса плазменного напыления под низким давлением.

30. Способ по п.28, отличающийся тем, что покрывочный слой создают посредством композиции в основном следующего состава: до 15,0 мас.% кобальта, от 5,0 до 18 мас.% хрома, от 5,0 до 12 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, до 5,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 6,0 мас.% рения, до 10 мас.% молибдена, а остальное составляет никель.

31. Способ по п.28, отличающийся тем, что покрывочный слой создают в основном следующего состава: до 2,0 мас.% кобальта, от 10 до 15 мас.% хрома, от 6,0 до 10 мас.% алюминия, от 0,2 до 0,7 мас.% иттрия, от 0,2 до 0,6 мас.% гафния, до 0,1 мас.% кремния, от 5,0 до 7,0 мас.% тантала, от 1,0 до 4,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 3,5 мас.% рения, до 4,0 мас.% молибдена, а остальное составляет никель.

32. Способ по п.28, отличающийся тем, что покрывочный слой создают в основном следующего состава: от 2,0 до 18 мас.% кобальта, от 3,0 до 10 мас.% хрома, от 5,5 до 15 мас.% алюминия, от 0,1 до 1,0 мас.% иттрия, до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 3,0 до 10 мас.% тантала, от 1,0 до 9,0 мас.% вольфрама, от 1,0 до 5,0 мас.% рения, от 0,2 до 4,0 мас.% молибдена, а остальное составляет никель.

33. Способ по п.28, отличающийся тем, что покрывочный слой создают в основном следующего состава: от 8,0 до 12 мас.% кобальта, от 4,0 до 6,5 мас.% хрома, от 7,5 до 12,5 мас.% алюминия, от 0,2 до 0,7 мас.% иттрия, от 0,2 до 0,6 мас.% гафния, до 0,3 мас.% кремния, от 5,0 до 7,0 мас.% тантала, от 4,2 до 5,8 мас.% вольфрама, от 2,3 до 3,7 мас.% рения, от 1,4 до 2,0 мас.% молибдена, а остальное составляет никель.