Износостойкое защитное покрытие и деталь с таким покрытием
Изобретение относится к износостойкому, в частности эрозионностойкому, защитному покрытию, предпочтительно для деталей газовых турбин. На защищаемой поверхности детали нанесено покрытие, состоящее из одной или нескольких повторно нанесенных на защищаемую поверхность детали многослойных систем. Каждая из однократно или повторно нанесенных многослойных систем состоит из по меньшей мере четырех разных слоев. Первый, ближайший к защищаемой поверхности, слой каждой многослойной системы выполнен из металлического материала, совместимого с составом защищаемой поверхности детали. Нанесенный на первый слой второй слой каждой многослойной системы выполнен из металлического сплава, который совместим с составом защищаемой поверхности детали. Нанесенный на второй слой третий слой каждой многослойной системы выполнен из керметного функционально-градиентного материала, обеспечивающего плавный переход между вторым слоем и четвертым слоем. Нанесенный на третий слой четвертый слой каждой многослойной системы выполнен из наноструктурированного керамического материала. Получают износостойкое эрозионно-стойкое защитное покрытие. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к износостойкому, прежде всего эрозионностойкому, защитному покрытию предпочтительно для деталей газовых турбин согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Изобретение относится также к детали с подобным износостойким защитным покрытием согласно ограничительной части п.12 формулы изобретения.
Испытывающие воздействие аэродинамических нагрузок детали, например детали газовых турбин, подвергаются износу вследствие окисления, коррозии и эрозии. Под эрозией подразумевается процесс износа, вызываемого переносимыми газовым потоком частицами твердых веществ. Для увеличения ресурса подверженных воздействию аэродинамических нагрузок деталей на них необходимо наносить покрытия, защищающие детали от износа, прежде всего, от эрозии, коррозии и окисления.
Из публикации ЕР 0674020 В1 известно многослойное эрозионностойкое покрытие, наносимое на поверхности соответствующих основ или подложек. Описанное в этой публикации эрозионностойкое покрытие представляет собой износостойкое защитное покрытие, которое состоит из нескольких повторно нанесенных на защищаемую от износа основу многослойных систем. Так, в частности, согласно ЕР 0674020 В1 каждая из повторно нанесенных многослойных систем образована двумя разными слоями, один из которых представляет собой слой металлического материала, а другой - слой диборида титана. Поскольку повторно нанесенные многослойные системы, образующие известное из ЕР 0674020 В1 эрозионностойкое защитное покрытие, состоят лишь из двух слоев, в описанном в указанной публикации эрозионностойком защитном покрытии слои металлического материала чередуются со слоями диборида титана.
В ЕР 0366289 А1 описано другое эрозионностойкое, а также коррозионностойкое покрытие, наносимое на поверхность соответствующей основы или подложки. Такое известное из ЕР 0366289 А1 износостойкое защитное покрытие также состоит из нескольких повторно нанесенных на защищаемую от износа основу многослойных систем, каждая из которых в свою очередь состоит из двух разных слоев, один из которых представляет собой металлический слой, например слой титана, а другой - керамический слой, например слой нитрида титана.
Другое износостойкое защитное покрытие, которое обладает эрозионной стойкостью и стойкостью к абразивному износу, известно из ЕР 0562108 В1. Описанное в этой публикации износостойкое защитное покрытие также образовано несколькими повторно нанесенными на защищаемую от износа основу многослойными системами. При этом на фиг.4 в публикации ЕР 0562108 В1 показано износостойкое защитное покрытие, образованное несколькими повторно нанесенными на основу многослойными системами, каждая из которых состоит из четырех слоев, один из которых представляет собой пластичный слой вольфрама или вольфрамового сплава, а три других слоя представляют собой твердые слои с разным содержанием легирующих элементов.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача предложить износостойкое защитное покрытие нового типа и снабженную подобным покрытием деталь.
Эта задача в отношении износостойкого защитного покрытия указанного в начале описания типа решается с помощью отличительных признаков п.1 формулы изобретения. Согласно изобретению каждая из повторно нанесенных многослойных систем состоит из по меньшей мере четырех разных слоев. При этом первый, ближайший к защищаемой поверхности детали, слой каждой многослойной системы выполнен из металлического материала, совместимого с составом защищаемой поверхности детали, т.е. его состав согласован с составом защищаемой поверхности детали. Нанесенный на первый слой второй слой каждой многослойной системы выполнен из металлического сплава, который совместим с составом защищаемой поверхности детали, т.е. его состав согласован с составом защищаемой поверхности детали. Нанесенный на второй слой третий слой каждой многослойной системы выполнен из керметного функционально-градиентного материала, т.е. материала, обеспечивающего плавный переход между вторым слоем и четвертым слоем, а нанесенный на третий слой четвертый слой каждой многослойной системы выполнен из наноструктурированного керамического материала.
Предлагаемое в изобретении износостойкое защитное покрытие придает защищаемой детали исключительно высокую стойкость к эрозии, а также к окислению и оказывает лишь очень малое влияние на вибропрочность снабженной им детали. Предлагаемое в изобретении износостойкое защитное покрытие пригодно для его нанесения прежде всего на детали сложной формы, такие как направляющие лопатки, рабочие лопатки, сегменты направляющих лопаток, сегменты рабочих лопаток, а также роторы с набором выполненных за одно целое с ними лопаток.
Несколько подобных многослойных систем повторно наносят на поверхность подверженной воздействию аэродинамических нагрузок детали, между поверхностью которой и примыкающей к ней первой многослойной системой в предпочтительном варианте дополнительно наносят промежуточный адгезионный слой.
Предлагаемая в изобретении деталь, в частности деталь газовой турбины, подверженная воздействию аэродинамических нагрузок, содержит на защищаемой поверхности износостойкое, в частности эрозионностойкое, защитное покрытие, содержащее одну или несколько повторно нанесенных многослойных систем. В соответствии с изобретением каждая из многослойных систем состоит из по меньшей мере четырех разных слоев, при этом первый, ближайший к защищаемой поверхности, слой каждой многослойной системы выполнен из металлического материала, совместимого с составом защищаемой поверхности детали, нанесенный на первый слой второй слой каждой многослойной системы выполнен из металлического сплава, состав которого совместим с составом защищаемой поверхности детали, нанесенный на второй слой третий слой каждой многослойной системы выполнен из функционально-градиентного керметного материала, обеспечивающего плавный переход между вторым слоем и четвертым слоем, нанесенный на третий слой четвертый слой каждой многослойной системы выполнен из наноструктурированного керамического материала.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения и последующем описании. Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых не ограничивающих его объем вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичный вид снабженной предлагаемым в изобретении износостойким защитным покрытием лопатки газовой турбины;
на фиг.2 - схематичный вид в разрезе предлагаемого в изобретении износостойкого защитного покрытия в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3 - схематичный вид в разрезе предлагаемого в изобретении износостойкого защитного покрытия в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.4 - схематичный вид в разрезе предлагаемого в изобретении износостойкого защитного покрытия в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.
Ниже настоящее изобретение более детально поясняется со ссылкой на фиг.1-4. На фиг.1 схематично в аксонометрии показана снабженная предлагаемым в изобретении износостойким защитным покрытием лопатка газовой турбины. На фиг.2-4 схематично в разрезе показаны лопатки с разными предлагаемыми в изобретении износостойкими защитными покрытиями.
На фиг.1 показана лопатка 10 газовой турбины, имеющая перо 11 и хвостовик 12. В показанном на фиг.1 примере вся лопатка 10, а точнее говоря, ее защищаемая поверхность, снабжена износостойким защитным покрытием 13. В отличие от показанного на чертеже примера износостойкое защитное покрытие 13 можно наносить не на всю лопатку 10, а только на отдельные ее участки, т.е. только на ее перо 11 или его части либо на ее хвостовик 12. Износостойким защитным покрытием 13 можно также снабжать другие детали газовых турбин, например их корпусы или роторы с набором выполненных за одно целое с ними лопаток, такие как облопаченные диски (блиски) или лопаточные венцы.
На фиг.2 показана защищаемая от износа деталь, обозначенная позицией 10. На защищаемую от износа поверхность 14 этой детали 10 нанесено предлагаемое в изобретении износостойкое защитное покрытие 13. В показанном на фиг.2 примере износостойкое защитное покрытие 13 состоит из двух повторно нанесенных на поверхность 14 многослойных систем 15 и 16. Каждая из двух этих многослойных систем 15 и 16 состоит из четырех разных слоев, при этом первый, ближайший к защищаемой от износа поверхности 14, слой 17 каждой многослойной системы 15 и 16 образован металлическим материалом, состав которого согласован с составом защищаемой от износа детали 10. Нанесенный на первый слой 17 второй слой 18 каждой многослойной системы 15 и 16 образован материалом из металлического сплава, состав которого согласован с составом защищаемой от износа детали 10. Нанесенный на второй слой 18 третий слой 19 каждой многослойной системы 15 и 16 образован функционально-градиентным керметным материалом, а нанесенный на третий слой 19 четвертый слой 20 каждой многослойной системы 15 и 16 образован керамическим материалом. Функционально-градиентный керметный материал слоя 19 образует переход между вторым слоем 18 и четвертым слоем 20, т.е. переход от металлического сплава второго слоя 18 к керамическому материалу четвертого слоя 20.
В показанном на фиг.3 примере поверх рассмотренных выше многослойных систем 15 и 16 нанесена еще одна многослойная система 21, отдельные слои которой 17-20 аналогичны соответствующим слоям многослойных систем 15 и 16. Для образования предлагаемого в изобретении износостойкого защитного покрытия 13 можно также повторно наносить одну поверх другой четыре, пять или более подобных многослойных систем 15, 16 или 21. Такие многослойные системы могут состоять или могут быть образованы и более чем из четырех слоев.
В показанном на фиг.4 примере между поверхностью 14 защищаемой от износа детали 10 и примыкающей к этой поверхности 14 первой многослойной системой 15 нанесен промежуточный адгезионный слой 22. Этот промежуточный адгезионный слой 22 позволяет улучшить контакт или сцепление между предлагаемым в изобретении износостойким защитным покрытием 13 и защищаемой от износа деталью 10.
Конкретный состав отдельных слоев 17-20 многослойных систем 15, 16 и 21 согласован с составом материала защищаемой от износа детали 10. Ниже рассмотрено несколько соответствующих примеров.
У защищаемой от износа детали 10, которая выполнена из никеля, кобальта или железа в качестве основного материала, первый слой 17 предпочтительно выполнен в виде слоя никеля (Ni-слой). На подобный Ni-слой 17 затем нанесен второй слой 18 из хромоникелевого сплава (NiCr-слой). Ко второму слою 18 из хромоникелевого сплава примыкает третий слой 19 из функционально-градиентного кермета, который предпочтительно образован материалом из CrN1-х (CrN1-x-слой). Четвертый слой 20 образован керамическим материалом, в частности нитридом хрома (CrN-слой).
В следующем примере защищаемая от износа деталь 10 выполнена из титана в качестве основного материала. У такой защищаемой от износа детали 10 из титана в качестве основного материала первый слой 17 предпочтительно образован титаном, палладием или платиной. На подобный первый слой 17 затем нанесен второй слой 18, образованный материалом из TiCrAl или из CuAlCr. Ко второму сдою 18 в свою очередь примыкает третий слой 19, представляющий собой функционально-градиентный слой, который образован материалом либо из CrAlN1-x, либо из TiAlN1-x. В том случае, когда функционально-градиентный слой 19 образован материалом из CrAlN1-x, к нему в качестве четвертого керамического слоя 20 примыкает слой из CrAlN. В том же случае, когда функционально-градиентный слой 19 образован материалом из TiAlN1-x, четвертый слой 20 предпочтительно образован нитридом титана-алюминия (TiAlN). Однако в этом случае в качестве керамического материала четвертого слоя 20 вместо нитрида титана-алюминия можно также использовать материал из TiAlSiN, AlTiN или TiN/AlN.
Предлагаемое в изобретении износостойкое защитное покрытие 13 наносят на защищаемую от износа деталь 10 методом конденсации из газовой фазы. Толщина многослойной системы предлагаемого в изобретении износостойкого защитного покрытия предпочтительно составляет менее 15 мкм.
Предлагаемое в изобретении износостойкое защитное покрытие предпочтительно наносить на сложные, трехмерные, подверженные воздействию аэродинамических нагрузок детали, такие, например, как корпусные элементы, сегменты направляющих лопаток, сегменты рабочих лопаток, роторы с набором выполненных за одно целое с ними лопаток или же отдельные лопатки авиационных двигателей. Предлагаемое в изобретении износостойкое защитное покрытие можно наносить на всю защищаемую от износа деталь или же только на некоторый ее участок.
1. Износостойкое, в частности эрозионностойкое, защитное покрытие, нанесенное на защищаемую поверхность детали, подверженной воздействию аэродинамических нагрузок, в частности детали газовой турбины, состоящее из одной или нескольких повторно нанесенных на защищаемую поверхность детали многослойных систем, отличающееся тем, что каждая из однократно или повторно нанесенных многослойных систем (15, 16, 21) состоит из по меньшей мере четырех разных слоев (17, 18, 19, 20), при этом первый, ближайший к защищаемой поверхности (14), слой (17) каждой многослойной системы выполнен из металлического материала, совместимого с составом защищаемой поверхности детали, нанесенный на первый слой (17) второй слой (18) каждой многослойной системы выполнен из металлического сплава, который совместим с составом защищаемой поверхности детали, нанесенный на второй слой (18) третий слой (19) каждой многослойной системы выполнен из керметного функционально-градиентного материала, обеспечивающего плавный переход между вторым слоем (18) и четвертым слоем (20), нанесенный на третий слой (19) четвертый слой (20) каждой многослойной системы выполнен из наноструктурированного керамического материала.
2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что все повторно нанесенные многослойные системы (15, 16, 21) имеют одинаковую слоистую структуру.
3. Покрытие по п.1 или 2, отличающееся тем, что при выполнении детали из никеля, кобальта или железа в качестве основного материала металлический материал, из которого выполнен первый слой (17) каждой многослойной системы, представляет собой никель или кобальт.
4. Покрытие по п.3, отличающееся тем, что металлический сплав, из которого выполнен второй слой (18) каждой многослойной системы, представляет собой никелевый сплав, предпочтительно хромоникелевый сплав, кобальтовый сплав или железный сплав.
5. Покрытие по п.3, отличающееся тем, что керметный материал, из которого выполнен третий слой (19) каждой многослойной системы, представляет собой CrN1-x.
6. Покрытие по п.3, отличающееся тем, что керамический материал, из которого выполнен четвертый слой (20) каждой многослойной системы, наноструктурирован и представляет собой CrN.
7. Покрытие по п.1 или 2, отличающееся тем, что при выполнении детали из титана в качестве основного материала, металлический материал, из которого выполнен первый слой (17) каждой многослойной системы, представляет собой титан, платину или палладий.
8. Покрытие по п.7, отличающееся тем, что металлический сплав, из которого выполнен второй слой (18) каждой многослойной системы, представляет собой титановый или алюминиевый сплав, предпочтительно TiCrAl или CuAlCr.
9. Покрытие по п.7, отличающееся тем, что керметный материал, из которого выполнен третий слой (19) каждой многослойной системы, представляет собой
CrAlN1-x или TiAlN1-x.
10. Покрытие по п.7, отличающееся тем, что керамический материал, из которого выполнен четвертый слой (20) каждой многослойной системы, наноструктурирован и представляет собой CrAIN, TiAIN, TiAlSiN или TiN/AlN.
11. Покрытие по п.1 или 2, отличающееся тем, что общая толщина слоев (17, 18, 19, 20) каждой многослойной системы составляет менее 15 мкм.
12. Деталь, в частности деталь газовой турбины, подверженная воздействию аэродинамических нагрузок, содержащая на защищаемой поверхности (14) износостойкое, в частности эрозионностойкое защитное покрытие (13), содержащее одну или несколько повторно нанесенных многослойных систем (15, 16, 21), отличающаяся тем, что каждая из многослойных систем (15, 16, 21) состоит из по меньшей мере четырех разных слоев (17, 18, 19, 20), при этом первый, ближайший к защищаемой поверхности (14), слой (17) каждой многослойной системы выполнен из металлического материала, совместимого с составом защищаемой поверхности детали, нанесенный на первый слой (17) второй слой (18) каждой многослойной системы выполнен из металлического сплава, состав которого совместим с составом защищаемой поверхности детали, нанесенный на второй слой (18) третий слой (19) каждой многослойной системы выполнен из функционально-градиентного керметного материала, обеспечивающего плавный переход между вторым слоем (18) и четвертым слоем (20), нанесенный на третий слой (19) четвертый слой (20) каждой многослойной системы выполнен из наноструктурированного керамического материала.
13. Деталь по п.12, отличающаяся тем, что она содержит износостойкое защитное покрытие (13) по любому из пп.2-11.
14. Деталь по п.12, отличающаяся тем, что она содержит промежуточный адгезионный слой (22) между ее поверхностью (14) и примыкающей к этой поверхности (14) первой многослойной системой (15).
15. Деталь по пп.12-14, отличающаяся тем, что она представляет собой корпус, направляющую лопатку, рабочую лопатку, сегмент направляющих лопаток, сегмент рабочих лопаток или ротор с набором выполненных за одно целое с ним лопаток для газовой турбины, в частности, авиационного двигателя.
