Жаростойкое покрытие

Изобретение относится к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных железоникелевых сплавов и коррозионностойких сталей от высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации при температуре 900°С. Технический результат изобретения заключается в повышении температуроустойчивости, термостойкости и прочности сцепления жаростойкого покрытия. Жаростойкое покрытие содержит следующие компоненты: SiO₂ - 16,0-25,0; В₂O₃ - 3,5-4,0; Al₂O₃ - 1,5-2,0; ВаО - 20,0-21,0; СаО - 2,5-3,0; TiO₂ - 1,5-2,0; Cr₂O₃ - 16,5-17,5, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ - 4,0-5,0; полиметилфенилсилоксан - 0,5-1,0; кремний-органическая смола - 11,5-12,5; ксилол - 10,0-11,0; SiB₄ - 0,5-1,0; MoO₃ - 1,0-1,5; Со₂O₃ - 2,0-2,5. Минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ имеет следующий состав: SiO₂ - 56,25-58,05; Al₂O₃ - 34,3-35,1; СаО - 1,0-1,2; MgO - 1,0-1,1; К₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; TiO₂ - 1,6-1,8; SO₃ - 0,15-0,25; Fe₂O₃ - 0,8-1,0; или SiO₂ - 35,25-40,05; Al₂O₃ - 34,3-35,1; СаО - 1,0-1,2; MgO - 1,0-1,1; К₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; TiO₂ - 1,6-1,8; SO₃ - 0,15-0,25; Fe₂O₃ - 0,8-1,0; SiB₄ - 18,0-21,0. 3 табл.

 

Изобретение относится к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей (створки, проставки, патрубки и др.) из жаропрочных железоникелевых сплавов и коррозионностойких сталей от высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации при температуре 900°С, используемых в авиационной технике и в машиностроении.

Известно, что как в процессе изготовления, так и при эксплуатации изделий с жаростойкими покрытиями имеет место нарушение сплошности покрытий, что ослабляет их защитное действие. Для устранения отдельных сколов и других дефектов покрытия необходим повторный обжиг деталей, что приводит к разупрочнению защищаемых материалов. При возникновении мелких дефектов в процессе эксплуатации детали также повторно эмалируются и обжигаются.

Для устранения дефектов эмалевого покрытия необходимо применение жаростойких покрытий, формируемых при комнатной температуре.

Известно покрытие, имеющее следующий химический состав, мас.%: фритта А: SiO₂ 35-50, В₂О 3-10, Al₂О₃ 0-5 и/или Sb₂O₃, RO 0-5, R¹ ₂O 15-30, TiO₂ 20-30, ZnO 0,1-10, Fe₂О₃ 0-10, Cr₂O₃, NiO, MnO, CoO и/или CuO, фритта В: SiO₂ 40-60, B₂O 3-10, Al₂О₃ 10-25, RO 10-30, R¹ ₂O 0,1-10, Fe₂O₃ 0-10, Cr₂O₃, NiO, MnO, CoO и/или CuO, где RO включает MgO, СаО, SrO и/или BaO, a R₂O Na₂O, K₂O и/или Li₂O, сырьевые материалы, выбранные из группы: кварц, полевой шпат, оксид циркония, волластонит, нефелин, сиенит и другие, а также необходимые количества добавок из группы Fe₂O₃, Cr₂O₃, NiO, MnO, CoO, CuO, TiO₂ и их смесей. (WO 98/28236).

Известно покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO₂ 38-52,6, В₂O₃ 6,0-7,5 Al₂O₃ 18,0-20,0, BaO 7,0-9,0, СаО 3,5-7,5, MgO 0,9-2,0, TiO₂ 2,5-4,0, Cr₂O₃ 4,0-5,5, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ 5,5-6,5, при этом минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, мас.%: SiO₂ 56,25-58,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, СаО 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, K₂O 2,5-2,6, Na₂O 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0 или SiO₂ 35,25-40,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, СаО 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, K₂O 2,5-2,6 Na₂O 0,6-0,7, TiO 21,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0, SiB₄ 18,0-21,0. (Патент РФ №2163897).

Известно покрытие следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 20,0-36,0, В₂O₃ 4,0-5,0, Al₂О₃ 5,0-6,0, BaO 5,0-6,0, СаО 2,0-4,0, MgO 0,5-1,5, TiO₂ 1,5-2,5, Cr₂O₃ 15-17, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ 5,0-6,0, Na₂O 4,0-5,0, Р₂O₅ 1,0-2,0, полиметилфенилсилоксан 0,5-0,8, кремний органическая смола 11,5-13,2, ксилол 9,0-11,0, при этом минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, мас.%: SiO₂ 56,25-58,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, CaO 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, K₂O2,5-2,6, Na₂O 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂O₃ 0,8-1,0 или SiO₂ 35,25-40,05, Al₂О₃ 34,3-35,1, CaO 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, K₂O 2,5-2,6 Na₂O 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂O₃ 0,8-1,0, SiB₄ 18,0-21,0. (Патент РФ №2239616).

Известные составы покрытий обладают пониженными характеристиками по температуроустойчивости и прочности сцепления с железоникелевыми сплавами и коррозионностойкими сталями при рабочей температуре 900°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаростойкое покрытие состава, мас.%:

SiO2	20,0-33,0
В2O3	4,0-5,0
Al2О3	7,0-8,0
BaO	7,0-8,0
CaO	4,0-5,5
MgO	0,5-1,5
TiO2	1,0-2,2
Cr2O3	15,0-17,0
минеральное комплексное
соединение на основе SiO2	5,0-6,0
полиметилфенилсилоксан	0,5-0,8
кремнийорганическая смола	11,5-12,5
ксилол	10,0-11,0
SiB4	1,5-2,5

При этом минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, мас.%:

SiO2	56,25-58,05
Al2O3	34,3-35,1
CaO	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
K2O	2,5-2,6
Na2O	0,6-0,7
TiO2	1,6-1,8
SO3	0,15-0,25
Fe2O3	0,8-1,0

или

SiO2	35,25-40,05
Al2O3	34,3-35,1
CaO	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
K2O	2,5-2,6
Na2O	0,6-0,7
TiO2	1,6-1,8
SO3	0,15-0,25
Fe2O3	0,8-1,0
SiB4	18,0-21,0

(Патент РФ №2273609)

Недостатками покрытия-прототипа являются неудовлетворительные температуроустойчивость, прочность сцепления и термостойкость для железоникелевых сплавов и коррозионностойких сталей при температуре эксплуатации 900°С.

Технической задачей изобретения является создание жаростойкого покрытия с повышенной температуроустойчивостью, термостойкостью и прочностью сцепления для железоникелевых сплавов и коррозионностойких сталей при температуре эксплуатации 900°С, формирующегося при комнатной температуре.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено жаростойкое покрытие, содержащее SiO₂, В₂О₃, Al₂О₃, ВаО, СаО, TiO₂, Cr₂О₃, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, химического состава, мас.%:

SiO2	56,25-58,05
Al2O3	34,3-35,1
СаО	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
K2O	2,5-2,6
Na2O	0,6-0,7
TiO2	1,6-1,8
SO3	0,15-0,25
Fe2O3	0,8-1,0

или

SiO2	35,25-40,05
al2о3	34,3-35,1
СаО	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
K2O	2,5-2,6
Na2O	0,6-0,7
TiO2	1,6-1,8
SO3	0,15-0,25
Fe2O3	0,8-1,0
SiB4	18,0-21,0

полиметилфенилсилоксан, кремнийорганическую смолу, SiB₄, ксилол, которое дополнительно содержит МоО₃, Со₂О₃, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	16,0-25,0
В2О3	3,5-4,0
Al2O3	1,5- 2,0
BaO	20,0- 21,0
CaO	2,5-3,0
TiO2	1,5-2,0
Cr2O3	16,5-17,5
минеральное
комплексное
соединение на	4,0-5,0
основе SiO2
полиметилфенилсилоксан	0,5-1,0
кремнийорганическая	11,5-12,5
смола
ксилол	10,0-11,0
SiB4	0,5-1,0
МоО3	1,0-1,5
Со2O3	2,0-2,5

Авторами установлено, что введение окислов МоО₃, Со₂O₃, при заявленном соотношении и содержании компонентов жаростойкого покрытия позволяет устранять дефекты жаростойкого покрытия и в то же время упрочняет структуру покрытия за счет образования сложных соединений с элементами сплава, что позволяет повысить температуроустойчивость, термостойкость и прочность сцепления при температуре эксплуатации 900°С.

Примеры осуществления

Покрытие получали путем перемешивания компонентов при комнатной температуре в течение 5-10 минут до получения однородной массы. Покрытие наносили на дефектные места детали из железоникелевого сплава ЭИ-703 и стали 12Х18Н10Т мягкой кистью ровным слоем. После нанесения покрытия детали сушили на воздухе в течение 30 часов.

Составы предлагаемого покрытия №1, 2, 3 и прототипа №4 приведены в таблице 1. Составы минерального комплексного соединения на основе SiO₂ приведены в таблице 2.

Свойства предлагаемых покрытий и покрытия-прототипа приведены в таблице 3.

Прочность сцепления (балл) определяли по методу решетчатого надреза путем анализа количества дефектов, в соответствии со специальной шкалой.

Анализ результатов свидетельствует о том, что в сравнении с покрытием-прототипом на железоникелевом сплаве и коррозионностойкой стали при температуре эксплуатации 900°С, у предлагаемого покрытия соответственно повысилась температуроустойчивость в 1,5; 2,3 раза, прочность сцепления в 3; 2,5 раза, термостойкость в 1,5 раза.

Применение предлагаемого покрытия, формируемого при комнатной температуре, обеспечивает снижение энергоемкости и трудоемкости операции ремонта в производственных условиях и повышение надежности работы деталей с покрытием в 1,5-2 раза.

Таблица 1 Составы предлагаемых покрытий и покрытия-прототипа
№ п/п	SiO2	В2O3	Al2O3	BaO	CaO	TiO2	Cr2О3	Минеральное комплексное соединение на основе SiO2	Полиметил-фенилсилоксан	Кремнийорганическая смола	SiB4	Ксилол	МоО3	Со2О3	MgO
1	16,0	4,0	2,0	21,0	3,0	2,0	17,5	5,0	1,0	12,5	1,0	11,0	1,5	2,5	-
2	25,0	3,5	1,5	20,0	2,5	1,5	16,5	4,0	0,5	11,5	0,5	10,0	1,0	2,0	-
3	20,5	3,8	1,8	20,5	2,7	1,7	17,0	4,5	0,7	12,0	0,7	10,5	1,3	2,3	-
4 прототип	25,6	4,5	7,5	7,5	5,0	2,0	16,0	5,5	0,7	12,0	2,0	10,5	-	-	1,0

Таблица 2 Составы минерального комплексного соединения на основе SiO2
№ п/п	Компоненты, мас.%
SiO2	Al2O3	CaO	MgO	К2О	Na2O	TiO2	SO3	Fe2O3	SiB4
1	56,25	35,1	1,2	1,1	2,6	0,7	1,8	0,25	1,0	-
2	58,05	34,3	1,0	1,0	2,5	0,6	1,6	0,15	0,8	-
3	57,30	34,55	1,1	1,05	2,55	0,65	1,7	0,2	0,9	-
4	35,25	35,1	1,2	1,1	2,6	0,7	1,8	0,25	1,0	21,0
5	40,05	34,3	1,0	1,0	2,5	0,6	1,6	0,15	0,8	18,0
6	37,30	34,55	1,1	1,05	2,55	0,65	1,7	0,2	0,9	20,0

Таблица 3 Свойства предлагаемых покрытий и покрытия-прототипа
№ п/п	Свойство	Предлагаемые составы	Прототип
		1	2	3	4
ЭИ-703	12Х18Н10Т	ЭИ-703	12Х18Н10Т	ЭИ-703	12Х18Н10Т	ЭИ-703	12Х18Н10Т
1	Температуроустойчивость при 900°С, ч	140	135	150	140	140	135	80	60
2	Прочность сцепления, балл	1	2	1	2	1	2	3	5
3	Термостойкость при 900°С, цк	220	210	230	215	230	215	180	150

Жаростойкое покрытие, содержащее SiO₂, В₂O₃, Al₂О₃, ВаО, СаО, TiO₂, Cr₂O₃, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, химического состава, в мас.%: SiO₂ 56,25-58,05; Al₂O₃ 34,3-35,1; СаО 1,0-1,2; MgO 1,0-1,1; К₂O 2,5-2,6; Na₂O 0,6-0,7; TiO₂ 1,6-1,8; SO₃ 0,15-0,25; Fe₂O₃ 0,8-1,0; или SiO₂ 35,25-40,05; А1₂O₃ 34,3-35,1; СаО 1,0-1,2; MgO 1,0-1,1; К₂O 2,5-2,6; Na₂O 0,6-0,7; TiO₂ 1,6-1,8; SO₃ 0,15-0,25; Fe₂O₃ 0,8-1,0; SiB₄ 18,0-21,0; полиметилфенилсилоксан, кремнийорганическую смолу, SiB₄, ксилол, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит МоО₃, Со₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 16,0-25,0; В₂O₃ 3,5-4,0; Al₂O₃ 1,5-2,0; ВаО 20,0-21,0; СаО 2,5-3,0; TiO₂ 1,5-2,0; Cr₂O₃ 16,5-17,5, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ 4,0-5,0; полиметилфенилсилоксан 0,5-1,0; кремний-органическая смола 11,5-12,5; ксилол 10,0-11,0; SiB₄ 0,5-1,0; МоО₃ 1,0-1,5; Со₂O₃ 2,0-2,5.