Жаростойкое покрытие

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к жаростойким покрытиям для защиты деталей газотурбинных двигателей (камера сгорания, жаровые трубы, газоводы и др.) из жаропрочных сплавов от высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации при температуре 1200°С. Техническим результатом изобретения является создание повышения температуроустойчивости, термостойкости, прочности сцепления покрытия. Жаростойкое покрытие, содержит SiO₂, В₂O₃, Al₂О₃, BaO, CaO, MgO,

TiO₂, Cr₂О₃, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂, SiB₄ и ZrO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ - 21,0-36,6; В₂О₃ - 5,0-6,7; Al₂O₃ - 34,0-40,0; BaO - 6,3-7,0; CaO - 4,0-5,0; MgO - 0,9-2,0; TiO₂ - 0,5-0,9;

Cr₂О₃ - 3,5-5,0; SiB₄ - 0,2-0,4; ZrO₂ - 5,0-7,0; минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ - 4,0-5,0. Минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ включает следующие компоненты, 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; Fe₂О₃ - 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; Fe₂О₃ - 0,8-1,0; SiB₄ - 18,0-21,0. 3 табл.

 

Изобретение относится к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей (камера сгорания, стабилизаторы, створки, проставки и др.) из высокожаропрочных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации при температуре 1200°С, используемых в авиационной технике и в машиностроении.

Жаропрочные сплавы при высоких температурах имеют тенденцию к активному окислению, в связи с чем для повышения сопротивляемости сплавов высокотемпературной газовой коррозии эффективны защитные эмалевые покрытия, регламентирующие процесс окисления металла при высоких температурах. Необходимыми условиями эффективной защиты сплавов являются: высокие эксплуатационные характеристики покрытий при рабочей температуре, такие как термостойкость, температуроустойчивость, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.

Известно жаростойкое покрытие следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 20,0-33,0, В₂О₃ 4,0-5,0, Al₂О₃ 7,0-8,0, ВаО 7,0-8,0, СаО 4,0-5,5, MgO 0,5-1,5, TiO₂ 1,0-2,2, Cr₂О₃ 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, Al₂О₃ 34,3-35,1, СаО 1,0-1,2, MgO 1,0-1,1, К₂О 2,5-2,6, Na₂О 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, K₂О 2,5-2,6, Na₂О 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0, SiB₄ 18,0-21,0 (Патент РФ №2273609).

Недостатком известного покрытия является то, что оно работоспособно и имеет высокие эксплуатационные характеристики при температурах не выше 1000°С.

Известно покрытие, имеющее следующий химический состав, мас.%: фритта А: SiO₂ 35-50, В₂О 3-10, Al₂О₃ 0-5 и/или Sb₂О₃, RO 0-5, R¹ ₂О 15-30, TiO₂ 20-30, ZnO 0,1-10, Fe₂О₃ 0-10, Cr₂О₃, NiO, MnO, CoO и/или CuO, фритта В: SiO₂ 40-60, B₂О 3-10, Al₂О₃ 10-25, RO 10-30, R¹ ₂О 0,1-10, Fe₂О₃ 0-10, Cr₂О₃, NiO, MnO, CoO и/или CuO, где RO включает MgO, СаО, SrO и/или ВаО, a R¹ ₂О Na₂О, К₂О и/или Li₂О, сырьевые материалы, выбранные из группы: кварц, полевой шпат, оксид циркония, волластонит, нефелин, сиенит и другие, а также необходимые количества добавок из группы Fe₂О₃, Сг₂О₃, NiO, MnO, CoO, CuO, TiO₂ и их смесей (Патент ЕР №0948466).

Известно жаростойкое покрытие следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 20,0-36,0, В₂О₃ 4,0-5,0, А1₂О₃ 5,0-6,0, ВаО 5,0-6,0, СаО 2,0-4,0, MgO 0,5-1,5, TiO₂ 1,5-2,5, Cr₂О₃ 15,0-17,0, минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ 5,0-6,0, Na₂О 4,0-5,0, P₂O₅ 1,0-2,0, полиметилфенилсилоксан 0,5-0,8,кремнийорганическая смола 11,5-13,2, ксилол, 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, К₂О 2,5-2,6, Na₂О 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, К₂О 2,5-2,6 Na₂О 0,6-0,7, TiO₂ 1,6-1,8, SO₃ 0,15-0,25, Fe₂О₃ 0,8-1,0, SiB₄ 18,0-21,0 (Патент РФ 2239616).

Известные составы покрытий для жаропрочных никелевых сплавов обладают пониженными температуроустойчивостью, термостойкостью и прочностью сцепления со сплавами при рабочей температуре 1200°С.

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

SiO2	38,0-52,6
В2О3	6,0-7,5
Al2О3	18,0-20,0
ВаО	7,0-9,0
СаО	3,5-7,5
MgO	0,9-2,0
TiO2	2,5-4,0
Cr2О3	4,0-5,5
минеральное комплексное соединение	5,5-6,5
на основе SiO2

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

SiO2	56,25-58,05
А12О3	34,3-35,1
СаО	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
К2О	2,5-2,6
Na2О	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
K2О	2,5-2,6
Na2О	0,6-0,7
TiO2	1,6-1,8
SO3	0,15-0,25
Fe2О3	0,8-1,0
SiB4	18,0-21,0

(Патент РФ п №2163897)

Недостатком прототипа также является пониженная температуроустойчивость, термостойкость и прочность сцепления со сплавами при рабочей температуре 1200°С.

Технической задачей изобретения является создание жаростойкого покрытия с повышенной температуроустойчивостью, термостойкостью и прочностью сцепления для жаропрочных никелевых сплавов при температуре эксплуатации 1200°С.

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

SiO2	56,25-58,05
Al2О3	34,3-35,1
СаО	1,0-1,2
MgO	1,0-1,1
К2О	2,5-2,6
Na2О	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
K2О	2,5-2,6
Na2О	0,6-0,7
TiO2	1,6-1,8
SO3	0,15-0,25
Fe2О3	0,8-1,0
SiB4	18,0-21,0

которое дополнительно содержит SiB₄ и ZrO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	21,0-36,6
В2О3	5,0-6,7
Al2О3	34,0-40,0
ВаО	6,3-7,0
СаО	4,0-5,0
MgO	0,9-2,0
TiO2	0,5-0,9
Cr2O3	3,5-5,0
SiB4	0,2-0,4
ZrO2	5,0-7,0
указанное минеральное комплексное	4,0-5,0
соединение на основе SiO2

Авторами установлено, что введение борида кремния и оксида циркония при заявленном соотношении и содержании компонентов жаростойкого покрытия упрочняет структуру покрытия за счет образования боросиликатного стекла, армированного частицами борида кремния и оксида циркония, что повышает его температуроустойчивость, прочность сцепления, термостойкость при температуре эксплуатации 1200°С.

Примеры осуществления

Покрытие получали по шликерно-обжиговой технологии путем размола компонентов в шаровой мельнице в течение 50-52 ч с последующим нанесением полученного шликера на образцы сплава ВЖ171 и обжигом в электропечи при температуре 1200-1220°С.

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 предлагаемого покрытия и покрытия-прототипа приведены в таблице 3.

Анализ результатов свидетельствует о том, что в сравнении с покрытием-прототипом на жаропрочном сплаве при температуре эксплуатации 1200°С у предлагаемого покрытия соответственно повысилась температуроустойчивость в 3 раза, прочность сцепления в 1,2 раза, термостойкость в 1,5 раза.

Применение предлагаемого покрытия обеспечивает работоспособность деталей из жаропрочного сплава при температуре эксплуатации 1200°С, повышение надежности работы деталей с покрытием.

Таблица 1
Составы предлагаемого покрытия и покрытия-прототипа
№ п/п	SiO2	В2О3	Al2О3	ВаО	СаО	MgO	TiO2	Cr2О3	Минеральное комплексное соединение на основе SiO2	SiB4	ZrO2
1	21,0	6,7	40,0	7,0	5,0	2,0	0,9	5,0	5,0	0,4	7,0
2	36,6	5,0	34,0	6,3	4,0	0,9	0,5	3,5	4,0	0,2	5,0
3	30,3	6,0	36,0	6,5	4,5	1J	0,7	4,0	4,5	0,3	5,5
4 прототип	48,6	6,0	20,0	7,0	5,5	0,9	2,5	4,0	5,5	-	-

Таблица №2
Составы минерального комплексного соединения на основе SiO2
№ п/п	Компоненты, в масс.%
SiO2	Al2Оз	СаО	MgO	К2О	Na2О	TiO2	SO3	Fe2О3	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	34,65	1Д	1,05	2,55	0,65	1,7	0,20	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	0,20	0,9	20,0
Таблица №3
Свойства предлагаемого покрытия и покрытия - прототипа
№ п/п	Свойство	Предлагаемые составы	Прототип
1	2	3	4
1	Температуроустойчивость при 1200°С, ч	110	105	105	35
2	Прочность сцепления, %	93	95	95	80
3	Термостойкость по режиму 1200°С↔20°С, цк	70	75	70	50

Жаростойкое покрытие, содержащее SiO₂, В₂O₃, Al₂О₃, BaO, CaO, MgO, 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
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,

отличающееся тем, что оно дополнительно содержит SiB₄ и ZrO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	21,0-36,6
В2О3	5,0-6,7
Al2О3	34,0-40,0
BaO	6,3-7,0
CaO	4,0-5,0
MgO	0,9-2,0
TiO2	0,5-0,9
Cr2О3	3,5-5,0
SiB4	0,2-0,4
ZrO2	5,0-7,0
указанное минеральное
комплексное соединение на основе SiO2	4,0-5,0