Жаростойкое покрытие с градиентом хрома по профилю пера лопатки для защиты лопаток газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания
Владельцы патента RU 2434076:
Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаростойкому покрытию с градиентом хрома по профилю пера лопатки. Заявлено жаростойкое покрытие на основе никеля для пера лопатки газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания, содержащее хром, алюминий и иттрий. Содержание и соотношение хрома и алюминия в покрытии меняется по профилю пера лопатки, при этом во входной кромке 1 лопатки покрытие содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 10, хром 24, иттрий 0,3, в выходной кромке 3 лопатки покрытие содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 12, хром 22, иттрий 0,3, покрытие спинки 2 лопатки содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 6, хром 28, иттрий 0,3, а покрытие корыта 4 лопатки содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 4, хром 30, иттрий 0,3. Покрытие обладает одновременно высокой коррозионной стойкостью как к сульфидной, так и к окисной коррозии во всех зонах лопатки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к материалам, служащим в качестве защитных покрытий термонагруженных деталей газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания.
Известны жаростойкие покрытия на основе металла (металл: кобальт, железо, никель или их сплавы), содержащие хром, алюминий, иттрий, получаемые вакуумно-плазменными методами (Hunt С.d'A. Пат. 3798055 (США). Vapor deposition process. - Опубл. 19.03.74). Недостатком этих покрытий является низкая стабильность и долговечность при высоких температурах.
В качестве наиболее близкого аналога может быть принято жаростойкое покрытие из сплава на основе никеля, раскрытое в US 3754903 А, С22С 19/05, 28.08.1973. Основным недостатком этого покрытия является неравномерная защита от коррозии по профилю пера лопатки, которая ведет к образованию очагов разрушения покрытия. В процессе работы лопатка подвержена воздействию высоких температур и агрессивной среды, однако это воздействие неодинаково для отдельных зон лопатки.
Для пояснения описываемого изобретения на чертеже схематично представлено перо лопатки. Как видно из чертежа, перо лопатки содержит следующие зоны:
1 - входная кромка
2 - спинка
3 - выходная кромка
4 - корыто
Наибольшие температуры приходятся на входную кромку лопатки (650-950°С), на выходной кромке 3 температуры ниже (570-900°С). На спинке 2 лопатки температуры еще ниже (500-910°С), на корыте 4 лопатки наиболее низкие температуры (500-850°С). Из-за неравномерности температурного поля процессы коррозии тоже неодинаковы. При высоких температурах (начиная с 600°С) преобладает окисная коррозия, к которой наиболее стоек оксид алюминия Al2O3. При более низких температурах (до 600°С) проявляется сульфидная коррозия, наибольшая стойкость к которой у оксида хрома CrO2. Поэтому покрытие, обладающее постоянным химическим составом, не может одинаково хорошо защищать от окисной и сульфидной коррозии одновременно.
Заявленное жаростойкое покрытие отличается от покрытия-прототипа тем, что содержание и соотношение хрома и алюминия в покрытии меняется по профилю пера лопатки, при этом во входной кромке 1 лопатки покрытие содержит, мас.%: никель - 65,7, алюминий - 12, хром - 22, иттрий - 0,3, в выходной кромке 3 лопатки покрытие содержит, мас.%: никель - 65,7, алюминий - 10, хром - 24, иттрий - 0,3, покрытие спинки 2 лопатки содержит, мас.%: никель - 65,7, алюминий - 6, хром - 28, иттрий - 0,3, а покрытие корыта 4 лопатки содержит, мас.%: никель - 65,7, алюминий - 4, хром - 30, иттрий - 0,3.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - получение жаростойкого покрытия, обладающего одновременно высокой коррозионной стойкостью как к сульфидной, так и к окисной коррозии во всех зонах лопатки. Такая защита достигается тем, что соотношение хрома и алюминия в покрытии плавно меняется по профилю пера лопатки таким образом, что в наиболее нагретых ее зонах, подверженных окисной коррозии, обеспечивается максимальное содержание алюминия (12%) и минимальное содержание хрома (22%), тем самым на поверхности покрытия образуется защитная пленка Al2O3, препятствующая окисной коррозии. При этом в наименее нагретых зонах, подверженных сульфидной коррозии, наоборот, содержание алюминия в покрытии минимально (4%), а содержание хрома максимально (30%), поэтому на поверхности покрытия образуется слой CrO2, препятствующий сульфидной коррозии. Испытания показали, что ресурс работы лопаток турбин с использованием жаростойкого покрытия с градиентом хрома по профилю пера лопатки в 4 раза выше, чем у лопаток с покрытием-прототипом.
Предлагаемое покрытие наносится в вакууме методом катодного распыления с одного магнетрона, мишень магнетрона состоит из сплава NiCrAlY. В процессе напыления на лопатку подается напряжение смещения, тем самым достигается изменение концентрации хрома в покрытии.
Как уже упоминалось, технический эффект предложенного покрытия заключается в повышении жаростойкости в широком диапазоне температур от 500°С до 1000°С, что обуславливает высокую коррозионную стойкость покрытия как к сульфидной, так и к окисной коррозии во всех зонах лопатки и, как следствие, существенное увеличение ресурса работы лопаток газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания (в 4 раза выше, чем у покрытия-прототипа).
1. Жаростойкое покрытие на основе никеля для пера лопатки газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания, содержащее хром, алюминий и иттрий, отличающееся тем, что содержание и соотношение хрома и алюминия в покрытии меняется по профилю пера лопатки, при этом во входной кромке 1 лопатки покрытие содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 10, хром 24, иттрий 0,3, в выходной кромке 3 лопатки покрытие содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 12, хром 22, иттрий 0,3, покрытие спинки 2 лопатки содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 6, хром 28, иттрий 0,3, а покрытие корыта 4 лопатки содержит, мас.%: никель 65,7, алюминий 4, хром 30, иттрий 0,3.
2. Жаростойкое покрытие по п.1, отличающееся тем, что имеет градиент хрома по профилю пера лопатки.
