Способ нанесения теплозащитного эрозионно стойкого покрытия

Изобретение относится к области газотермического напыления покрытий, в частности к способам напыления жаростойких и теплозащитных покрытий, и может быть использовано для защиты деталей, работающих в условиях повышенных температур, эрозии и агрессивных сред, преимущественно для защиты авиационных элементов турбомашин и газотурбинных двигателей (ГТД). Предложенный способ включает плазменное напыление на поверхность изделия металлического подслоя из сплава на никелевой основе и последующее нанесение керамического покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, путем послойного плазменного напыления. Послойное напыление керамического покрытия осуществляют таким образом, что последующий слой напыляют из порошков с фракцией, меньшей, чем в предыдущем слое, и формируют керамическое покрытие с пористостью, уменьшающейся по поперечному сечению к верхнему слою, который формируют с пористостью < 1%. Техническим результатом изобретения является повышение термо-усталостной прочности и эрозионной стойкости керамических покрытий из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области газотермического напыления покрытий, в частности к способам напыления жаростойких и теплозащитных покрытий, и может быть использовано для защиты деталей, работающих в условиях повышенных температур, эрозии и агрессивных сред, преимущественно для защиты авиационных элементов турбомашин и газотурбинных двигателей (ГТД).

Повышение ресурса работы защищаемых деталей в условиях высоких температур и агрессивной окружающей среды в значительной степени решается за счет нанесения керамических покрытий, обладающих жаростойкостью и коррозионной стойкостью и являющихся термическим барьером для теплового излучения. Для этой цели наиболее широко применяются керамические покрытия на основе диоксида циркония (ZrO₂), стабилизированного добавками оксида иттрия (Y₂О₃).

Известен способ плазменного напыления керамического покрытия, включающий напыление металлического подслоя из сплава Ni(Co, Fe)CrAlY и последующее напыление керамического покрытия из порошка на основе ZrO₂, частично стабилизированного Y₂О₃ [1].

Недостатком известного способа являются высокие остаточные напряжения в покрытиях, возникающие из-за различного термического расширения металлических и керамических слоев, сохраняющаяся при газотермическом напылении пористость керамического слоя, что приводит к проникновению в глубь покрытия агрессивных газов и его растрескиванию при эксплуатации.

Известен способ осаждения термобарьерного покрытия, включающий осаждение металлического слоя из сплава MCrAlY на подготовленную шероховатую поверхность, толщиной 0,003-0,006 дюймов, и осаждение на него пористого керамического материала, содержащего 10-15% от объема пор оксида церия-иттрия, стабилизирующего ZrO₂ [2].

Полученное покрытие содержит пористый керамический слой, что в процессе работы при высоких температурах в условиях агрессивных сред приводит к проникновению их в покрытие и его эрозии и коррозии.

Для устранения пористости поверхностного слоя керамики применяют методы его упрочнения: лазерное оплавление, вибролегирование, термоупрочнение и т.д.

Наиболее близким к предложенному является способ изготовления детали газотурбинного двигателя, включающий плазменное напыление на деталь металлического подслоя из сплава на никелевой основе, легированного кобальтом, хромом, алюминием, иттрием, толщиной 100-250 мкм и последующее нанесение трехслойного керамического покрытия из порошка на основе ZrO₂, стабилизированного Y₂О₃, при этом первый слой наносили при дозировке порошка ZrO₂, позволяющей полностью его проплавить, второй слой наносили при дозировке ZrO₂, позволяющей получить пористость 5-16%, после чего поверхность обрабатывали виброшлифованием. В результате этого формировался третий слой путем термоупрочнения поверхности второго слоя. Термоупрочнение проводили плазменным электронно-лучевым или лазерным методом. Создание трехслойного керамического покрытия, имеющего первый и третий слои с плотной беспористой структурой, а второй слой с пористостью 5-16%, позволяет повысить стойкость покрытия и обеспечивает способность его работы в агрессивных средах при повышенных температурах (более 1000°С) [3].

Однако проплавление первого керамического слоя, повышая сопротивление коррозии, снижает теплозащитные свойства покрытия, уменьшает адгезию нанесенного второго слоя и прочность покрытия, в результате чего возникают сколы керамического слоя при напылении и эксплуатации.

Кроме того, при оплавлении поверхности керамического слоя лазерным методом, виброшлифованием, термоурочнением возникает неравномерность покрытия по его толщине, что также приводит к снижению его теплозащитных свойств и эрозионной стойкости.

Задачей изобретения является создание способа нанесения покрытия, позволяющего получать покрытия, обладающие высокими теплозащитными свойствами и эрозионной стойкостью при работе в условиях высоких температур и агрессивных сред.

Техническим результатом изобретения является повышение термоусталостной прочности и эрозионной стойкости керамических покрытий из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Технический результат достигается тем, что в способе получения теплозащитного покрытия, включающем плазменное напыление на поверхность изделия металлического подслоя из сплава на никелевой основе и последующее нанесение керамического покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, путем послойного плазменного напыления, при этом послойное напыление керамического покрытия осуществляют таким образом, что последующий слой наносят из порошков с фракцией, меньшей, чем предыдущий, и формируют пористость керамического покрытия, уменьшающуюся по поперечному сечению к верхнему слою, который формируют с пористостью <1%.

Желательно, чтобы пористость керамического слоя, нанесенного на подслой, составляла 15-18%, верхний слой керамического покрытия наносили толщиной 10-15 мкм, каждый из предыдущих слоев - толщиной 35-40 мкм, а металлический подслой - толщиной 60-80 мкм.

Предпочтительно, чтобы верхний керамический слой напыляли из порошка фракции 5-20 мкм, а предшествующий ему слой - из порошка фракции 20-60 мкм.

Сущность изобретения заключается в следующем. Нанесенный плазменным методом в атмосфере керамический слой имеет развитую поверхность с относительным объемом пор от 9 до 20%.

С увеличением пористости увеличиваются теплозащитные свойства покрытия, в частности термостойкость, улучшается сопротивляемость растрескиванию, но ухудшаются коррозионные свойства, уменьшается адгезия, что приводит к снижению эрозионных свойств.

Послойное нанесение керамического покрытия из порошков с более мелкой фракцией позволяет создать в поперечном сечении постепенное уменьшение пористости покрытия, формируя верхний слой с очень низкой пористостью, меньшей 1%.

Создание покрытия указанным способом позволяет с одной стороны сохранить пористость, влияющую на его теплостойкость, с другой стороны увеличить адгезию за счет прочного сцепления частиц каждого последующего слоя с предыдущим и повысить, таким образом, эрозионную стойкость.

Способ поясняется следующим примером.

Покрытие наносили на рабочие лопатки ГТД, изготовленные из жаропрочного сплава на основе никеля типа ЖС, плазменным напылением на установке ТСЗП - MF - Р - 1000.

Сначала напыляли на поверхность детали подслой из композиционного порошка NiCoCrAlSiY при следующих режимах: напряжение - 70 В, ток - 500 А, дистанция напыления - 120 мм, плазмообразующий газ аргон - 50 л/мин, водород - 8 л/мин.

Напыление проводили до образования металлического подслоя толщиной 60 мкм.

Затем наносили слои керамического покрытия напылением смеси порошков ZrO₂ и Y₂О₃ при напряжении 80 B, токе 550 А, дистанции напыления 110 мм в потоке аргона и водорода.

Первый слой напыляли до толщины 35-40 мкм из порошка фракции - с формированием пористости 15-18%, второй слой напыляли толщиной 35-40 мкм из порошка фракции 20-60 мкм с формированием пористости 8-10%, третий слой напыляли толщиной 10-15 мкм из порошка фракции 5-20 мкм с формированием пористости <1%.

Испытания покрытий проводилось на рабочих турбинных лопатках, установленных на технологической машине. Режим испытаний: Т=1450°С, среда - продукты сгорания керосина, время испытаний - 100 часов.

Испытания на термостойкость покрытий проводили на специальных образцах на режиме: Т=950-1000°С, с охлаждением на воздухе, кол-во циклов - 400 циклов.

Во всех случаях испытаний (на технологической машине и на образцах на термостойкость) покрытие, полученное по предлагаемому способу, превосходит по указанным характеристикам покрытия, полученные ранее известными способами.

Источники информации

1. Патент 2021388(RU) 5 C 23 C 4/00. Способ плазменного напыления керамического покрытия./ Верстак А.А., Соболевский С.Б., Пащенко Н.В.// Дата публ. формулы изобретения, 15.10.94.

2. Патент US5384200 Classif. Internat. - B 22 F 7/00, european - C 23 C 4/02. Thermal barrier coating and method of depositing the same jn cjmbustion chamber component surfaces./Giles David, Begin Roger, Dugger David, Paskvan Eric// Applicftion number US 19940228929, 199440418.

3. Патент 2116377 (RU) 6 C 23 C 14/06, С 23 С 14/48, С 23 С 4/04. Деталь газотурбинного двигателя и способ ее изготовления./ Шамарина Г.Г./ Дата публ. формулы изобретения. 27.07.98.

1. Способ получения теплозащитного эрозионно стойкого покрытия, включающий плазменное напыление на поверхность изделия металлического подслоя из сплава на никелевой основе и последующее нанесение керамического покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, путем послойного плазменного напыления, отличающийся тем, что послойное напыление керамического покрытия осуществляют таким образом, что последующий слой напыляют из порошков с фракцией, меньшей, чем в предыдущем слое, и формируют керамическое покрытие с пористостью, уменьшающейся по поперечному сечению к верхнему слою, который формируют с пористостью < 1%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлический подслой напыляют толщиной 60-80 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамический слой, нанесенный на металлический подслой, формируют с пористостью, составляющей 15-18%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что верхний слой керамического покрытия напыляют толщиной 10-15 мкм, а каждый из предыдущих слоев - толщиной 35-40 мкм.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что верхний слой керамического покрытия напыляют из порошка фракции 5-20 мкм, а предшествующий ему слой - из порошка фракции 20-60 мкм.