Способ нанесения керамического покрытия

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин с монокристаллической структурой из жаропрочных литейных никелевых сплавов. Способ нанесения керамического покрытия включает размещение изделия в камере распыления, вакуумирование камеры, подачу в камеру смеси кислорода и инертного газа и формирование керамического покрытия на изделии в две стадии. При этом на первой стадии осуществляют нагрев изделия до температуры 500-1000°С, совмещая его с обработкой поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа. На второй стадии осуществляют обработку поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа, совмещенную с магнетронным распылением мишени. После формирования керамического покрытия проводят термообработку изделия. Технический результат - увеличение ресурса работы турбин высокого давления ГТД, снижение трудоемкости технологического процесса нанесения теплозащитных покрытий. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин с монокристаллической структурой из жаропрочных литейных никелевых сплавов.

Для продления ресурса работы турбин высокого давления применяют теплозащитные покрытия (ТЗП), обеспечивающие снижение температуры на поверхности пера охлаждаемых лопаток турбин на 30°С и более. Величина снижения температуры (теплозащитный эффект) определяется толщиной и удельной теплопроводностью внешнего керамического слоя.

Известен способ нанесения защитного покрытия с изменяющимся химическим составом и структурой по толщине, содержащего внешний керамический слой, в котором после нагрева подложки в камере напыления проводят нанесение покрытия электронно-лучевым испарением слитка из стабилизированного диоксида циркония, при этом поверхность слитка покрыта слоем, состоящим из смеси металлов и оксидов /патент ЕР № 0799904/.

Известен способ нанесения покрытия на изделие, включающий нанесение шероховатого жаростойкого слоя, получаемого методом высокоскоростного кислородного распыления и последующее осаждение керамического слоя методом плазменного распыления на воздухе и с контролируемым формированием множества вертикальных микротрещин /патент ЕР № 1939316/.

Недостатками известных способов являются высокая трудоемкость нанесения покрытия, недостаточное сцепление теплозащитного покрытия с подложкой и снижение величины теплозащитного эффекта в процессе эксплуатации лопатки с покрытием.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ нанесения покрытия на изделие, в котором после нагрева изделия, размещенного в камере напыления, содержащей кислород и инертный газ, до температуры 50-400°С, с помощью магнетронного распыления мишени проводят генерацию пара и осаждение металлического слоя, который затем обрабатывают высокочастотной плазмой для частичного окисления и формирования керамического покрытия. Перед осаждением керамического покрытия на поверхность изделия наносят жаростойкое покрытие /патент США № 6635124/.

Недостатком способа прототипа является недостаточно высокая термостойкость керамического покрытия при интенсивном нагреве и последующем охлаждении поверхности изделия с покрытием и снижение величины теплозащитного эффекта при выдержке в области рабочих температур.

Технической задачей изобретения является разработка способа нанесения покрытия с высокой термостойкостью и длительно сохраняющейся величиной теплозащитного эффекта при рабочих температурах изделия.

Техническая задача достигается тем, что предложен способ нанесения керамического покрытия, включающий размещение изделия в камере распыления, содержащей кислород и инертный газ, нагрев изделия, магнетронное распыление мишени в вакууме и формирование керамического покрытия на изделии, в котором нагрев изделия осуществляют до температуры 500-1000°С, а формирование керамического покрытия осуществляют в две стадии, при этом на первой стадии нагрев изделия совмещают с обработкой поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа, на второй стадии обработку поверхности изделия пучком ускоренных ионов совмещают с магнетронным распылением мишени, а после формирования керамического покрытия проводят термообработку изделия.

При этом предпочтительно обработку поверхности изделия осуществлять пучком ускоренных ионов инертного газа с энергией ионов 500-2500 эВ, а перед формированием керамического покрытия на поверхность изделия наносить слой никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и, по крайней мере, один редкоземельный металл, термообработку изделия проводить при температуре 900-1050°С в течение 4-6 ч.

Установлено, нагрев поверхности изделия до температуры 500-1000°С является необходимым условием для формирования керамического покрытия со столбчатой структурой, которая является наиболее оптимальной в условиях интенсивных теплосмен, и препятствует его скалыванию из-за разных величин коэффициентов термического расширения и модулей упругости внешнего керамического и внутреннего металлического покрытий, входящих в состав теплозащитного покрытия. Введение операции обработки поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа в присутствии кислорода перед магнетронным распылением мишени способствует повышению адгезии керамического покрытия к подложке, за счет формирования на поверхности под керамическим покрытием плотной тонкой оксидной пленки на основе соединения α-Al₂O₃. Совмещение распыления мишени с обработкой поверхности изделия, на которой формируется керамическое покрытие, пучком ускоренных ионов инертного газа позволяет получать при осаждении чередующиеся слои керамики различной плотности и структуры. Наличие в керамическом покрытии границ раздела, параллельных поверхности покрываемого изделия, позволяет сохранять более длительное время величину теплозащитного эффекта при рабочих температурах.

Дополнительное нанесение на поверхность изделия слоя жаропрочного никелевого сплава перед формированием керамического покрытия может способствовать более длительному сохранению под керамическим покрытием плотной тонкой оксидной пленки на основе соединения α-Al₂O₃. Слой жаропрочного никелевого сплава не содержит тугоплавких элементов, характерных для жаропрочных литейных никелевых сплавов, которые при окислении образуют оксиды, разрыхляющие и увеличивающие толщину пленки на основе соединения α-Al₂O₃, что приводит к снижению адгезии керамического покрытия к подложке в условиях частых теплосмен.

Перед формированием керамического покрытия на поверхность изделия предпочтительно наносить слой никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и, по крайней мере, один редкоземельный металл. В процессе эксплуатации при высоких температурах сплавы этой системы в связи с изменением их элементного состава сохраняют на поверхности пленку на основе соединения α-Al₂O₃ в широком диапазоне изменения концентрации Аl в слое жаростойкого Ni сплава.

Примеры осуществления

Пример 1. На плоские образцы из жаропрочного никелевого сплава типа ЖС36 (сплав системы Ni-W-Co-Al-Cr-Nb-Mo-Ti-Re) наносили жаростойкое покрытие из никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и редкоземельный металл иттрий на установке МАП-2 с использованием сплавов СДП-2 и ВСДП-18 при токах разряда вакуумной дуги 500-700 А и электрических потенциалах подложки 10-300 В по серийной технологии ФГУП «ВИАМ».

Керамическое покрытие наносили на установке УОКС-2 в две стадии. Изделия размещали в камере распыления установки, содержащей по крайней мере две мишени из сплава Zr-Y(6-8)%. Питание магнетронных испарителей осуществляли от инверторного источника тока с рабочим напряжением до 600 В, током до 30 А с использованием дуального электрического ключа, переключающего полярность питающего напряжения на распыляемых мишенях с частотой до 40 кГц.

Для обработки поверхности детали пучком ионов инертного газа аргона с энергией ионов 500-2500 эВ использовали ускоритель холловского типа с замкнутым дрейфом электронов с предельными параметрами разряда - 3000 В, 5 А.

После вакуумирования камеры установки в рабочий объем подавали смесь кислорода с аргоном и на первой стадии проводили нагрев образцов радиационным способом при одновременной обработке поверхности образцов пучком ускоренных ионов аргона с энергией 500 эВ. По достижении температуры поверхности образцов 500°С переходили ко второй стадии процесса, начиная магнетронное распыление мишеней и нанесение керамического покрытия, со скоростью до 20 мкм/ч при напряжении разряда 480 В и токе 22 А, совмещенное с обработкой поверхности образцов пучком ускоренных ионов аргона с энергией 500 эВ. После нанесения керамического покрытия толщиной 20 мкм процесс прерывался. Затем образцы с теплозащитным покрытием подвергали термообработке - отжигали в печи с резистивным нагревом при температуре 1000°С в течение 4 ч.

Для определения термостойкости керамического покрытия были проведены термоциклические испытания образцов. Цикл включал в себя выдержку образцов при температуре 1100°С в течение 55 мин и охлаждение в течение 5 мин в струе сухого сжатого воздуха при давлении 0,2 МПа до комнатной температуры. После каждых 20 циклов испытаний проводили визуальный осмотр состояния поверхности образцов с ТЗП. При скалывании с поверхности 30% керамического покрытия образец снимали с испытаний.

Определение величины теплозащитного эффекта проводили в лабораторной установке на базе нагревательной электропечи. Плоский образец устанавливали в специальной диафрагме, замурованной в стенке печи таким образом, что поверхность с керамическим покрытием располагалась внутри муфеля печи. Внешнюю поверхность образца без покрытия, расположенную вне печи, обдували сжатым воздухом давлением 0,2 МПа. Теплозащитный эффект определяли сразу после установки образца на испытания - ΔT₁ и через 50 ч выдержки образца - ΔТ₂, как разность температур между нагреваемой и охлаждаемой поверхностями образца при температуре нагрева печи 1150°С

Пример 2, 3 аналогичны примеру 1, но температура поверхности образцов составляла 900 и 1000°С, а обработку поверхности образцов проводили пучком ускоренных ионов аргона с энергией 1500 и 2500 эВ.

Пример 3. Пример аналогичен примерам 1 и 2, но температура поверхности образцов составляла 1000°С, а обработку поверхности образцов проводили пучком ускоренных ионов аргона с энергией 2500 эВ.

Пример 4 был выполнен по способу прототипа.

Результаты испытаний на термостойкость и определения теплозащитного эффекта от применения ТЗП, нанесенных в соответствии с предлагаемым способом и способом прототипа, представлены в таблице.

Таблица
№ примера	Энергия ионов аргона, эВ	Температура нагрева поверхности, °С	Количество циклов до потери 30% площади керамического покрытия	ΔT1, °C	ΔT2, °C
1	500	500	1080	39	25
2	1500	900	1320	49	44
3	2500	1000	1240	42	36
4 (прототип)	-	250	760	34	19

Как видно из таблицы, при нанесении керамического покрытия на поверхность образцов в соответствии с предлагаемым способом термостойкость керамического покрытия к скалыванию повышается в 1,4-1,7 раз в сравнении с прототипом. А снижение величины теплозащитного эффекта не превышает 10-15%, в то время как для прототипа составляет более 40%. Аналогичные результаты были получены на образцах из сплавов ЖС32, ЖС6У, ЖС26.

Применение изобретения в производстве рабочих лопаток турбин позволит увеличить ресурс работы турбин высокого давления ГТД различного назначения в 1,5-2 раз, а также снизить трудоемкость технологического процесса нанесения теплозащитных покрытий.

1. Способ нанесения керамического покрытия на изделия из жаропрочных никелевых сплавов, включающий размещение изделия в камере распыления, вакуумирование камеры, подачу в камеру смеси кислорода и инертного газа и формирование керамического покрытия на изделии в две стадии, при этом на первой стадии осуществляют нагрев изделия до температуры 500-1000°С, совмещая его с обработкой поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа, на второй стадии осуществляют обработку поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа, совмещенную с магнетронным распылением мишени, а после формирования керамического покрытия проводят термообработку изделия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа осуществляют с энергией 500-2500 эВ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед формированием керамического покрытия на поверхность изделия наносят слой никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и, по крайней мере, один редкоземельный металл.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термообработку изделия проводят при температуре 900-1050°С в течение 4-6 ч.