Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов
Владельцы патента RU 2452793:
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей от высокотемпературного окисления, в том числе рабочих и сопловых лопаток газовых турбин из никелевых сплавов. Предложен способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов. Способ включает последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность детали первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего, мас.%: хром 6-12,0, алюминий 6-12,0, иттрий 0,1-0,5, тантал 1,5-8,0, рений 0,3-2,5, гафний 0,2-1,5, никель - остальное. Далее проводят осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг. Технический результат - повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевых сплавов до 1200°С. 4 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей от высокотемпературного окисления, в том числе сопловых блоков, створок сопла ГТД с регулируемым вектором тяги, рабочих и сопловых лопаток газовых турбин из никелевых сплавов.
Известен способ осаждения диффузионного алюминидного покрытия, на подложку из никелевого или кобальтового жаропрочного сплава, включающий нанесение диффузионного алюминидного покрытия, содержащего: Al, Si и Hf на подложку для формирования начального слоя алюминидного покрытия, далее нанесение слоя платины, формирование внутреннего слоя алюминидного покрытия и внешнего слоя гамма матрицы Ni, Pt, Si с содержанием компонентов от 0,01 до 8%, вторичные выделения, включающие силициды гафния и кремния (патент США №6291014).
Недостатками способа являются высокая трудоемкость процесса, использование дорогостоящего драгоценного металла - платины, неудовлетворительная жаростойкость покрытия при температурах выше 1100°С.
Известен также способ защиты лопаток газовых турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы путем введения в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)·10-1 Па (патент РФ №2280096).
Недостатком способа является недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах до 1200°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты лопаток газовых турбин, включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, тантал, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, в котором осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного вольфрамом и рением при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Хром | 12-20 |
| Алюминий | 6-12 |
| Иттрий | 0,1-0,5 |
| Тантал | 1,5-8 |
| Вольфрам | 0,3-4 |
| Рений | 0,3-2,5 |
| Никель | остальное |
(патент РФ №2190691).
Недостатком известного способа является недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах лопатки из никелевого сплава до 1200°С.
Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевого сплава до 1200°С.
Техническая задача достигается тем, что предложен способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность детали первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, тантал, рений, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного гафнием при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Хром | 6,0-11,5 |
| Алюминий | 6,0-12,0 |
| Иттрий | 0,1-0,5 |
| Тантал | 1,5-8,0 |
| Рений | 0,3-2,5 |
| Гафний | 0,2-1,5 |
| Никель | остальное |
Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов с осаждением первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, дополнительно легированного гафнием, позволяет поднять жаростойкость покрытия за счет формирования на границе защищаемый сплав - покрытие карбидов на основе гафния, которые являются более термически стабильными при температурах выше 1100°С, чем карбиды хрома и вольфрама. Карбиды на основе гафния создают барьер, препятствующий диффузии алюминия из сплава покрытия в защищаемый сплав, а также встречной диффузии легирующих элементов защищаемого сплава в покрытие, снижающих жаростойкость при температуре выше 1100°С (титан молибден, кобальт). Кроме того, гафний оказывает положительное влияние на жаростойкость покрытия путем создания на поверхности покрытия окислов, повышающих адгезию защитной пленки оксида алюминия.
Примеры осуществления
Пример 1. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность соплового блока из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-1В в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице №1. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м2.
Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №2
Пример 2. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность створки сопла для ГТД с регулируемым вектором тяги из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-25 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице 2. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м2.
Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №3
Пример 3. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность лопатки газовых турбин из никелевого сплава ВЖМ-4 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице 3. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м2.
Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №4
На всех деталях из никелевых сплавов ВКНА-1В, ВКНА-25 и ВЖМ-4 покрытие, полученное с использованием сплава 1, на базе испытаний 400 часов обеспечило наименьшие значения потери массы деталей (таблицы 2, 3, 4) за счет положительного влияния гафния, снижения содержания хрома и исключения вольфрама. Жаростойкость покрытия повысилась более чем в 2 раза.
Применение предлагаемого способа позволяет повысить жаростойкость покрытия и, следовательно, ресурс и надежность деталей газовых турбин.
| Таблица №1 | ||||||||
| Сплав | Содержание компонентов первого слоя конденсированного покрытия | |||||||
| Ni | Cr | Al | Y | Та | W | Re | Hf | |
| Сплав 1 | Осн. | 8,0 | 9,0 | 0,3 | 4,8 | - | 1,4 | 0,9 |
| Сплав 2 | Осн. | 6,0 | 6,0 | 0,1 | 1,5 | - | 0,3 | 0,2 |
| Сплав 3 | Осн. | 12,0 | 12,0 | 0,5 | 8,0 | - | 2,5 | 1,5 |
| Сплав 4 (прототип) | Осн. | 16,0 | 9,0 | 0,3 | 4,8 | 2,1 | 1,4 |
| Таблица №2 | |||||||||
| Покрытие | Кол-во образцов | Время испытания, ч | |||||||
| 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | ||
| Удельное изменение массы, г/м2 | |||||||||
| Без покр. | 3 | -92 | -146 | -274 | -385 | ||||
| Сплав 1 | 3 | -12,42 | -26,36 | -37,41 | -40,87 | -49,53 | -52,18 | -57,76 | -62,31 |
| Сплав 2 | 3 | -11,78 | 25,94 | 41,22 | 45,8 | -54,33 | -58,84 | -64,67 | -68,45 |
| Сплав 3 | 3 | -3,72 | 28,16 | 49,12 | 54,45 | -59,45 | -69,78 | -72,22 | -74,01 |
| Сплав 4 (прототип) |
3 | -28,2 | -40,91 | -65,87 | -75,43 | -99,11 | -110 | -142 | -184 |
| Таблица №3 | |||||||||
| Покрытие | Кол-во образцов | Время испытания, ч | |||||||
| 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | ||
| Удельное изменение массы, г/м2 | |||||||||
| Без покр. | 3 | -82 | -137 | -272 | -335 | ||||
| Сплав 1 | 3 | -12,52 | -26,46 | -37,82 | -40,37 | -49,19 | -52,45 | -57,46 | -62,19 |
| Сплав 2 | 3 | -11,56 | 25,45 | 41,85 | 45,25 | -54,15 | -58,17 | -64,28 | -68,93 |
| Сплав 3 | 3 | -3,79 | 28,46 | 49,13 | 54,78 | -59,12 | -69,45 | -72,32 | -74,81 |
| Сплав 4 (прототип) |
3 | -28,97 | -40,46 | -65,82 | -75,29 | -99,27 | -112 | -145 | -185 |
| Таблица №4 | |||||||||
| Покрытие | Кол-во образцов | Время испытания, ч | |||||||
| 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | ||
| Удельное изменение массы, г/м2 | |||||||||
| Без покр. | 3 | -127 | -198 | -372 | -592 | ||||
| Сплав 1 | 3 | -14,52 | -28,61 | -39,85 | -42,87 | -51,42 | -55,17 | -61,78 | -67,38 |
| Сплав 2 | 3 | -12,78 | 31,18 | 49,44 | 54,96 | -65,19 | -70,60 | -77,60 | -82,14 |
| Сплав 3 | 3 | -4,46 | 33,72 | 58,94 | 65,34 | -71,34 | -83,76 | -86,64 | -89,25 |
| Сплав 4 (прототип) |
3 | -33,84 | -49,02 | -79,04 | -90,51 | -118 | -132 | -170 | -220, |
Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, тантал, рений, последующее осаждение второго слоя из алюминиевого сплава и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного гафнием, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Хром | 6,0-11,5 |
| Алюминий | 6,0-12,0 |
| Иттрий | 0,1-0,5 |
| Тантал | 1,5-8,0 |
| Рений | 0,3-2,5 |
| Гафний | 0,2-1,5 |
| Никель | Остальное |
