Способ получения защитного покрытия на деталях

Изобретение относится к покрытиям, защищающим детали от воздействия высоких температур, и может быть использовано в авиадвигателестроении, машиностроении, энергетике и других отраслях техники. На поверхность детали наносят, по меньшей мере, один металлический слой. Затем проводят алитирование или хромоалитирование. После этого наносят керамический слой на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия. Упрочнение керамического слоя осуществляют путем нанесения на него, по меньшей мере, трех керамических слоев на основе оксида циркония, содержащих 6-9% оксида иттрия и 3-30% оксида алюминия. Данный способ позволяет повысить надежность и долговечность защитного покрытия.

 

Изобретение относится к покрытиям, защищающим детали от воздействия высоких температур, в частности к способам получения защитных (жаростойких) покрытий на деталях, и может найти применение в авиадвигателестроении, машиностроении, энергетике и других отраслях техники для защиты, например, лопаток и камер сгорания газотурбинных двигателей, поршней для двигателей внутреннего сгорания от высоких температур.

Известен способ получения защитного покрытия, включающий последовательное нанесение двух металлических слоев и керамического слоев, при этом металлические слои наносят в вакууме и после нанесения металлического слоя проводят диффузионный вакуумный отжиг, керамический слой наносят толщиной 70-300 мкм, после чего керамический слой покрытия упрочняют высокотемпературной импульсной плазмой с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050°С не менее 5 часов (см. патент RU №2089655, кл. С23С 14/06, опубл. 10.09.1997).

Однако нанесенное таким способом покрытие ненадежно и недолговечно при работе, так как при получении покрытия данным способом в керамическом слое наблюдается наличие дефектов в виде каналов и полостей, через которые происходит доступ кислорода рабочей (газовой среды) к металлу и, как следствие, окисление металлического покрытия под керамикой, что приводит к отслоению керамики и ее преждевременному растрескиванию.

Технический результат заявленного предложения - повышение надежности и долговечности защитного покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения защитного покрытия на деталях, включающем нанесение на поверхность детали, по меньшей мере, одного металлического слоя и керамического слоя на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия, и упрочнение керамического слоя, согласно изобретению после нанесения первого металлического слоя проводят алитирование или хромоалитирование, а упрочнение керамического слоя осуществляют путем нанесения на него, по меньшей мере, трех керамических слоев на основе оксида циркония, содержащих 6-9% оксида иттрия и 3-30% оксида алюминия.

На поверхность детали наносят, по меньшей мере, один металлический слой. Количество металлических слоев может быть два и более. Однако алитирование или хромоалитирование необходимо производить только после нанесения первого слоя, так как в этом случае происходит дополнительное легирование алитированного или хромоалитированного слоя элементами металлического слоя и обеспечивается высокая прочность сцепления покрытия с поверхностью детали.

Операция алитирования или хромоалитирования необходима для обогащения покрытия алюминием и его сплавами с кремнием, и/или цирконием, и/или иттрием, и/или иттербием, и/или эрбием, и/или лантаном, и/или церием.

Причем может быть содержание иттрия, эрбия, церия, иттербия, лантана ≤5%, содержание кремния ≤12%, циркония ≤0,5%.

В зависимости от условий эксплуатации изделия, в каждом конкретном случае, выбирают насыщать поверхность детали алюминием (алитирование) или алюминием с хромом (хромоалитирование). При высоких термомеханических нагрузках целесообразно использовать хромоалитирование, а при низких - достаточно использовать алитирование.

Добавка оксида алюминия от 3 до 30% в керамические слои увеличивает прочность керамического слоя и его эрозионную стойкость, снижает проницаемость кислорода через слой керамики к металлу. При увеличении концентрации оксида алюминия более 30% наблюдается снижение вязкости и трещиностойкости керамических слоев, а при содержании оксида алюминия менее 3% происходит процесс окисления металлического покрытия под керамикой из-за высокой проницаемости кислорода рабочей газовой среды к металлу, что приводит к снижению надежности покрытия.

Количество слоев керамики из оксида алюминия в количестве 3-30%, оксида циркония и оксида иттрия не менее трех. При количестве слоев менее 3-х не будет достигнуто необходимое упрочнение керамического слоя, становится малозначимым торможение диффузии кислорода от газовой среды к металлу, возрастает скорость коррозии металла, снижается адгезия керамики и надежность покрытия. Верхний предел количества слоев выбирают в зависимости от условий эксплуатации и назначения детали, на которой это покрытие получают. В каждом конкретном случае количество слоев выбирают расчетным путем. Так, если покрытие получают на лопатках газовых турбин, максимальное количество керамических слоев пять-шесть, при получении покрытия на поршнях ДВС количество слоев семь-восемь.

Слои наносят известными способами, такими как вакуумно-плазменный, диффузионный, электронно-лучевой, катодное или лазерное напыление.

Реализация способа рассмотрена на примере получения защитного (жаростойкого) покрытия на охлаждаемых лопатках газовых турбин, работающих при высоких температурах до 1750°С.

Пример 1. На поверхность лопатки наносят на вакуумной плазменной установке при токе на детали 8 А и напряжении 30 В первый металлический слой из сплава на никелевой основе: Ni - основа, Cr 15%, Al 8%, W 4%, Re 2,1%, Та 1,5%, Hf 2,0%, Si 0,8%, Y 0,6% толщиной 30 мкм. Затем лопатки подвергают алитированию при температуре 1000°С в течение 4 часов, после этого проводят тепловую обработку в газостате (газостатирование) при 1000°С в течение 3 часов и напыляют второй слой металлического сплава на основе Al: Al - основа, Si 11%, Y 1,8%. Затем проводят диффузионный отжиг при 1000°С. Далее в вакууме на электронно-лучевой установке напыляют слой керамики ZrO₂·(6-9)%Y₂O₃ толщиной 160 мкм и получают керамическое покрытие со столбчатой структурой. Для его упрочнения, на поверхность этого слоя напыляют электронно-лучевым способом три слоя керамики [ZrO₂·(6-9)%Y₂O₃]·20%Al₂О₃ толщиной каждого слоя 1-3 мкм.

Пример 2. На поверхность охлаждаемой лопатки газовой турбины наносят способом электродугового катодного распыления металлический слой на никелевой основе: Ni - основа, Cr 18%; Al 8%; Та 10%; Hf 2,0%; Si 1,2%, Yb 0,8%; Се 0,6% толщиной 40 мкм. Затем лопатки подвергают хромоалитированию при температуре 1080°С в течение 4 часов для осаждения слоя диффузионного покрытия на внешней поверхности, а также в полости и каналах. После хромоалитирования на электронно-лучевой установке осаждают пять слоев керамики [ZrO₂·(6-9)%Y₂O₃]·20%Al₂О₃ толщиной каждого слоя 1-3 мкм для упрочнения и снижения кислородной проницаемости керамики на детали.

Способ получения защитного покрытия на деталях, включающий нанесение на поверхность детали, по меньшей мере, одного металлического слоя и керамического слоя на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия, и упрочнение керамического слоя, отличающийся тем, что после нанесения первого металлического слоя проводят алитирование или хромоалитирование, а упрочнение керамического слоя осуществляют путем нанесения на него, по меньшей мере, трех керамических слоев на основе оксида циркония, содержащих 6-9% оксида иттрия и 3-30% оксида алюминия.