Способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя

Изобретение относится к способу нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин, работающих при высоких температурах в высоконагруженных двигателях. Наносят многослойное покрытие. В качестве сплава первого слоя жаростойкого покрытия используют сплав содержащий Ni-Co-Cr-Al-Y-Ta-W-Hf. Второй слой состоит из порошковой смеси, содержащей Сr-Al, третий слой - керамики ZrO2-Y2O4. Дополнительно на слой керамики методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме наносят «барьерный» слой из сплава на основе Ni-Co-Cr-Al-Y с последующим диффузионным отжигом. Первый слой жаростойкого покрытия наносят вакуум-плазменным методом, который совместно с порошковой смесью после нанесения второго слоя покрытия подвергают термовакуумной обработке до диффузионного насыщения хромом и алюминием поверхности покрытия первого слоя. Использование способа позволяет увеличить стойкость покрытия по отслоению на 47%, а термостойкость по числу циклов (нагрев-охлаждение) на 37%, а следовательно, повысить ресурс работы лопатки в составе высоконагруженного газотурбинного двигателя. 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты деталей, преимущественно лопаток турбин работающих при высоких температурах в высоконагруженных двигателях.

В промышленности известны способы нанесения 2-х и 3-х слойных теплозащитных покрытий, когда металлические подслои (1 или 2) наносятся шликерным, порошковым, циркуляционным, ионно-плазменным способами, затем проводят термовакуумную обработку, после чего электронно-лучевым способом наносят керамический слой. Основными факторами, влияющими на работоспособность теплозащитного покрытия, являются: состав и структура металлического и керамического слоев, а также соответствие их коэффициентов термического расширения.

/Y. Tamarin, Protective Coatingsfor Turbine Blades, ASM International, 2002, 247 p.,/ [1]

/Тамарин Ю.А., Качанов Е.Б. «Электронно-лучевая технология нанесения ТЗП» - М. ЦИАМ, сб. «Новые технологические процессы и надежностъ.№7 2008 г., с. 144-157/ [2].

Существенным недостатком диффузионных покрытий является их низкая стабильность и долговечность при высоких температурах. Применение теплозащитных покрытий позволяет снизить теплопоток к основному материалу лопатки и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур. Но теплозащитные покрытия имеют низкую пластичность, что приводит к растрескиванию и отслаиванию керамического слоя при теплосменах под действием термомеханических нагрузок, а также столбчатая структура керамического слоя является кислородопроницаемой, что приводит к росту оксидной пленки на металлическом подслое.

/Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2001 г., 620 с. [3].

Указанные недостатки покрытий не позволяют значительно повысить жаростойкость и термостойкость лопаток турбин высоконагруженных двигателей.

Известен способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины. В данном способе наносят многослойное покрытие газотермическим уетодом, в котором чередуют керамические и металлические слои.

/US №24904542 МПК С23С 14/06, С23С 14/08, С23С 28/00/ [4].

Такое покрытие имеет ряд существенных недостатков. Керамический слой формируют плазменным напылением, что существенно снижает его термическую усталость и работоспособность. Чередование металлических и керамических слоев ведет к тому, что при наличии термоциклирования между слоями возникают термические напряжения, которые приводят к растрескиванию такого покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя, включающий нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе Ni, нанесение второго слоя покрытия порошковой смесью содержащей Cr-Al, термическую обработку порошковой смеси и первого слоя жаростойкого покрытия, подготовку поверхности и нанесение третьего слоя керамики на основе Zr02-Y203, методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме,

/RU 2280095 МПК С23С14/06 Опубликовано 2006 г./

К недостаткам способа можно отнести следующее: 1 Диффузионный второй слой формируется из состава порошков, содержащих в основном алюминий и хром, в результате которого в покрытии формируется β фаза в наружном слое и β+У во внутреннем слое. Слой имеет поры и низкую стабильность при высоких температурах.

2. После формирования металлического первого слоя системы MeCrAl на нем образуется оксидная пленка Al2O3, которая уменьшает адгезионную прочность с керамическим слоем.

3. Нанесение на керамический слой Zr02-Y203 электроннолучевым методом плотного слоя керамики толщиной 10-15 мкм состава Zr02-11% Y203 40% Al2O3 не приводит к изменению столбчатой структуры керамического слоя, а, следовательно, керамика остается кислородопроницаемой, что в процессе воздействия высоких температур приводит к интенсивному росту оксидной пленки Al2Oз на металлическом диффузионном слое.

Задача изобретения повышение качества наносимого покрытия.

Ожидаемый технический результат повышение работоспособности (ресурса) рабочих лопаток турбины в составе высоконагруженных двигателей.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном способе нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя, включающем нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе Ni, нанесение второго слоя покрытия порошковой смесью содержащей Cr-Al, термическую обработку порошковой смеси и первого слоя жаростойкого покрытия, подготовку поверхности и нанесение третьего слоя керамики на основе Zr02-Y203, методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, отличающийся тем, что в качестве сплава первого слоя жаростойкого покрытия используют сплав содержащий Ni -Co-Cr-Al-Y- Ta-W-Hf, а на слой керамики Zr02-Y203, дополнительно методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме наносят «барьерный» слой из сплава на основе Ni -Co-Cr-Al-Y с последующим диффузионным отжигом, при этом первый слой жаростойкого покрытия наносят вакуум - плазменным методом, который совместно с порошковой смесью после нанесения второго слоя покрытия, подвергают термовакуумной обработке до диффузионного насыщения хромом и алюминием поверхности покрытия первого слоя.

Сущность изобретения иллюстрируется примером: В предложенном способе нанесения теплозащитного покрытия в качестве материала металлического подслоя используют жаростойкий сплав толщиной 50 … 70 мкм состава: Ni - основа; Cr - от 11% до 15%; Al - от 6% до 9%; Та - от 4% до 6%; w-от 3% до 4%; Hf- от 1,8% до 2,2%; Si - от 0,5% до 1,5%, Y - от 0,8% до 1,5%, наносимого конденсационным методом ВПТВЭ (вакуум - плазменная технология высоких энергий) и содержащий в составе тугоплавкие элементы, тем самым повышая стабильность металлического подслоя при воздействии высоких температур.

После нанесения металлического подслоя проводят хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой. Затем наносят слой керамики Zr02-8%Y203 на всю защищаемую поверхность рабочих лопаток методом электроннолучевого испарения и конденсации в вакууме (ЭЛИКВ). Технический результат достигается также за счет нового действия в способе нанесения теплозащитного покрытия, а именно: нанесения на поверхность керамического покрытия высокотемпературного барьерного покрытия толщиной 5 … 10 мкм состава: Ni - основа; Cr - от 18% до 22%; Al - от 11% до 13%; Со - от 8% до 9%, Y - от 0,4% до 0,6%. Тем самым предотвращается доступ кислорода к металлическому подслою и замедляется рост оксидной пленки на границе раздела «металл - керамика». После чего проводят диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия.

Свойства теплозащитного покрытия, после окончательного формирования структуры покрытия, полученные в результате использования предлагаемого способа нанесения покрытия поясняются графическими материалами.

Фиг. 1 - микроструктура теплозащитного покрытия,

Фиг. 2 - диаграмма испытаний на изотермическую жаростойкость при температуре 1100°с

Фиг. 3 - термостойкость теплозащитных покрытий при испытаниях по режиму нагрева 400-1100°С.

Теплозащитное покрытие состоит из нанесенного на поверхность лопатки 1, первого металлического слоя 2 одержащего Ni -Co-Cr-Al-Y-Ta-W-Hf, второго слоя покрытия 3 из порошковой смеси содержащей Cr-Al, третьего слоя керамики 4 на основе Zr02-Y203 и барьерного слоя 5 из сплава на основе Ni -Co-Cr-Al-Y.

Сравнительный анализ заявляемого решения и известного решения показал:

1. Более стабильный легированный первый металлический слой, создает диффузионный барьер легирующим элементам сплава и покрытия при воздействии высоких температур, что в сочетании с конденсационным методом нанесения обеспечивает более высокую диффузионную стабильность покрытия.

2. Дополнительный металлический «барьерный» слой наносимый электронно-лучевым методом на керамический слой блокирует доступ кислорода по межстолбовому пространству к металлическому слою.

После нанесения теплозащитного покрытия рабочие лопатки подвергали испытаниям на изотермическую жаростойкость и термостойкость

Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе "NEOPHOT 31". Химический состав структура покрытий определялись на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV и электронном сканирующем микроскопе JEOL 300LV (Япония). Результаты испытаний представлены на Фиг. 2 и Фиг. 3 соответственно.

В результате сравнения установлено, что стойкость покрытия полученного предложенным способом по отслоению на 47% больше, а термостойкость по по числу циклов (нагрев-охлаждение) на 37% больше чем в известном способе.

Таким образом, использование способа предусматривающего создание 3-слойного теплозащитного покрытия, в котором в первый слой введены тугоплавкие легирующие элементы, а также дополнительно на керамический слой нанесен «барьерный» металлический слой, позволяет надежно защитить лопатки высокотемпературной коррозии, а, следовательно, повысить ресурс работы лопатки в составе высоконагруженного газотурбинного двигателя.

Способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин высоконагруженного двигателя, включающий нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе Ni, нанесение второго слоя покрытия порошковой смесью, содержащей Сr-Аl, термическую обработку порошковой смеси и первого слоя жаростойкого покрытия, подготовку поверхности и нанесение третьего слоя керамики на основе ZrO2-Y2O3 методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, отличающийся тем, что в качестве сплава первого слоя жаростойкого покрытия используют сплав, содержащий Ni-Co-Cr-Al-Y-Ta-W-Hf, при этом дополнительно на слой керамики ZrO2-Y2O3 методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме наносят «барьерный» слой из сплава на основе Ni-Co-Cr-Al-Y и осуществляют последующий диффузионный отжиг, причем первый слой жаростойкого покрытия наносят вакуум-плазменным методом и совместно с порошковой смесью после нанесения второго слоя покрытия подвергают термовакуумной обработке до диффузионного насыщения хромом и алюминием поверхности покрытия первого слоя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к поверхностной обработке алюминированного стального листа под горячее прессование. Предложенный раствор содержит водную дисперсию ZnO (A) и диспергируемую в воде органическую смолу (B), причем водная дисперсия ZnO (A) содержит воду и частицы ZnO, имеющие средний размер частиц 10-300 нм, а диспергируемая в воде органическая смола (B) имеет средний размер частиц эмульсии 5-300 нм, и массовое соотношение (WA/WB) массы (WA) частиц ZnO в водной дисперсии ZnO к массе (WB) твердого содержимого в диспергируемой в воде органической смоле составляет от 30/70 до 95/5.

Изобретение относится к нанесению двухслойного покрытия и может быть использовано при повышении эксплуатационных свойств деталей, например, в авиадвигателестроении.

Изобретение относится к получению стальных деталей, упрочненных под прессом и изготавливаемых из листов, содержащих покрытие на основе алюминия и цинковое покрытие, и обладающих хорошими характеристиками в отношении фосфатирования и, следовательно, хорошим сцеплением с краской.

Изобретение относится к получению металлического материала с нефосфатным покрытием для процесса холодновысадочной пластической обработки. Предложена металлическая заготовка с нефосфатным покрытием для процесса пластической обработки и способ ее получения, включающий предварительную обработку поверхности металлического материала заготовки, нанесение слоя покрытия путем погружения металлического материала в агент для нанесения покрытия и нанесение смазывающего слоя.

Изобретение относится к изготовлению закаленных деталей из листовой стали с нанесенным покрытием на основе алюминия. Способ включает получение листовой стали с предварительно нанесенным металлическим покрытием, содержащим от 4,0 до 20,0 мас.% цинка, от 1,0 до 3,5 мас.% кремния, необязательно от 1,0 до 4,0 мас.% магния и необязательно дополнительные элементы, выбранные из Pb, Ni, Zr или Hf, и остальное - алюминий и неизбежные примеси, причем соотношение Zn/Si находится в диапазоне от 3,2 до 8,0, получение заготовки, ее термическую обработку при температуре в диапазоне от 840 до 950°С для получения в стали полностью аустенитной микроструктуры, горячую формовку заготовки для получения детали, охлаждение детали с получением в стали микроструктуры, являющейся мартенситной или мартенситно-бейнитной или образованной из по меньшей мере 75% равноосного феррита, от 5 до 20% мартенсита и бейнита в количестве, меньшем или равном 10%, и фосфатирование.

Группа изобретений относится к области транспорта. Способ изготовления тормозного диска, в котором фрикционный слой расположен в некоторых областях на основном корпусе тормозного диска.
Изобретение относится к области материаловедения, в том числе к созданию защитных керамоматричных покрытий на поверхности стали, обладающих высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах при температурах контактного взаимодействия 400-600°С за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев.

Изобретение относится к панели для транспортного средства, включающей стальной лист с покрытием, местами укрепленный, способу изготовления панели и использованию панели и может быть использовано для производства частей автомобильных транспортных средств.

Изобретение относится к технологии формирования термостойкого влагозащитного покрытия на поверхности теплонапряженных металлоконструкций и может быть использовано при изготовлении выхлопных труб газотурбинных установок топливно-энергетических комплексов: газоперекачивающих агрегатов, газотурбинных электростанций.

Изобретение относится к области часовых изделий. Компенсирующая балансирная пружина (1) для термокомпенсированного пружинного балансного резонатора, имеющая сердечник (9а, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f), выполненный из по меньшей мере одного неметаллического материала (11а, 11b, 13b, 15b, 11c, 17c, 19с, 11d, 13d, 15d, 17d, 19d, 11e, 13e, 15e, 17e, 19e, 11f, 21f).

Изобретение относится к упрочнению поверхности изделий из титана и титановых сплавов путем ионно-плазменного азотирования и может быть использовано в авиакосмической отрасли, машиностроении, медицине и других отраслях.
Изобретение относится к способу вакуумно-дугового нанесения покрытий на рабочие колеса насосного оборудования парогазовых установок и может быть использовано в энергетическом турбостроении для защиты насосного и компрессорного оборудования от солевой и газовой коррозии.
Изобретение относится к способу получения многослойного защитного покрытия на лопатках моноколеса из титанового сплава от пылеабразивной эрозии и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроению.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения.
Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава. Способ включает ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток энергией от 20 кэВ до 35 кэВ и дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2,0⋅1017 см-2 с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев.

Изобретение относится к области физики низкоразмерных структур, а именно к формированию наноразмерной тонкопленочной структуры, и может быть использовано в различных высокотехнологичных областях промышленности и науки для создания новых материалов.

Изобретение относится к области нанесения покрытий методом термического испарения пленкообразующих материалов, преимущественно диэлектриков, в вакууме, а именно к испарителю, применяемому в вакуумных установках для нанесения покрытий на подложки.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к получению износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий, и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструмента.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии.

Изобретение относится к ионно-плазменному низкотемпературному осаждению нанокристаллического покрытия из оксида алюминия на изделия. Осуществляет плавление и испарение алюминия в плазме разряда низкого давления и формирование покрытия осаждением потока частиц плазмы на поверхность изделия в среде кислорода в условиях интенсивной ионной бомбардировки.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способу нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин, работающих при высоких температурах в высоконагруженных двигателях. Наносят многослойное покрытие. В качестве сплава первого слоя жаростойкого покрытия используют сплав содержащий Ni-Co-Cr-Al-Y-Ta-W-Hf. Второй слой состоит из порошковой смеси, содержащей Сr-Al, третий слой - керамики ZrO2-Y2O4. Дополнительно на слой керамики методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме наносят «барьерный» слой из сплава на основе Ni-Co-Cr-Al-Y с последующим диффузионным отжигом. Первый слой жаростойкого покрытия наносят вакуум-плазменным методом, который совместно с порошковой смесью после нанесения второго слоя покрытия подвергают термовакуумной обработке до диффузионного насыщения хромом и алюминием поверхности покрытия первого слоя. Использование способа позволяет увеличить стойкость покрытия по отслоению на 47, а термостойкость по числу циклов на 37, а следовательно, повысить ресурс работы лопатки в составе высоконагруженного газотурбинного двигателя. 3 ил.

Наверх