Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок

Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения жаростойких покрытий или теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, и, в особенности, газовых турбин авиадвигателей.

Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические ГТУ и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, являются рабочие лопатки турбины. Длительная эксплуатация лопаточного аппарата турбины возможна лишь при условии изготовления рабочих лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе. В процессе эксплуатации лопатки подвергаются воздействию повышенных механических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред. Результатом такого комплексного воздействия на деталь является ее быстрый выход из строя, что не обеспечивает требуемого ресурса изделия в целом. Для решения проблемы повышения работоспособности лопаток турбины используются различные эффективные защитные покрытия [1. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов / Н.В.Абраимов, Ю.С.Елисеев. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001. - 622 с.]. Применяемые для защиты лопаток жаростойкие покрытия, при их достаточной стабильности в условиях эксплуатации, могут ощутимо снизить процессы разрушения основного материала детали и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.

Наиболее перспективными материалами, используемыми для формирования жаростойких покрытий, являются сплавы систем: Me-Cr-Al-Y, где Me - Ni, Co или их сочетание, а также сплавы сочетающие Ni, Cr, Al, Si, Y, B [2. Мубаяджан С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. Екатеринбург: Изд-во «Квист», 2008. - 208 с.]. Применяются как однослойные [3. Патент США №4475503], так и двухслойные покрытия, например, с внешним слоем на основе алюминидов никеля [4. Патент США №4080486].

Известен способ подготовки поверхности детали под нанесение многослойного покрытия на металлические изделия методом катодного распыления, включающий ионную очистку и/или модификацию поверхности изделия [5. Патент РФ №2228387. МПК С23С 14/06. Способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия. Опубл. 2004 г.]. Однако функциональным назначением ионно-имплантационной обработки поверхности в известном случае не является повышение жаростойкости покрытия.

Известен способ нанесения покрытия, при котором в вакууме наносят покрытие состава NiCrAlY, после чего проводят алитирование нанесенного покрытия [6. П.Т.Коломыцев. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов. - М.: Машиностроение, 1991, с 146; Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с 253-254].

Известен способ нанесения покрытия в вакууме, при котором в качестве материала покрытия используют состав NiCrAlY [7. Мубояджян С.А., Каблов Е.Н., Будиновский С.А. Вакуумно-плазменная технология получения защитных покрытий из сложнолегированных сплавов, МиТОМ. 1995, №2, с.15-18].

Известны также способы защиты лопаток газовых турбин алитированием поверхности пера с предварительным нанесением слоя из никелевых сплавов или металлов платиновой группы [8. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин / Абраимов Н.В. - М.: Машиностроение, 1993, - с.336]. Полученные композиции на основе алюминидов никеля или никеля и платины обладают необходимым комплексом физико-химических свойств в контакте с жаропрочными сплавами для обеспечения работоспособности рабочих лопаток турбин в области высоких температур.

Недостатком известных способов нанесения жаростойких покрытий является интенсивный диффузионный обмен между жаростойким слоем и основным материалом детали, приводящий к снижению эксплуатационных свойств лопаток турбин ГТД и ГТУ.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения жаростойкого покрытия, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий подготовку поверхности лопатки, формирование внутреннего жаростойкого слоя и нанесение на него внешнего жаростойкого слоя [8. Патент РФ №1658652. МПК С23С 14/00. Способ получения комбинированного жаростойкого покрытия, опубл. 2000 г.]. Известный способ получения комбинированного жаростойкого покрытия предусматривает осаждение в вакууме внутреннего слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего кобальт, хром, алюминий и редкоземельный элемент, последующее осаждение внешнего слоя покрытия из сплава на основе алюминия, содержащего в качестве легирующей добавки никель, при содержании в каждом из слоев алюминия в количестве 20-80 г/м² и толщине внутреннего слоя покрытия 30-100 мкм и последующий вакуумный отжиг.

Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость и недостаточная выносливость и циклическая прочность, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации лопаток газотурбинных двигателей и установок.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Технический результат достигается тем, что в способе получения жаростойкого покрытия на лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающем ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки, вакуумно-плазменное нанесение на лопатку жаростойкого слоя и последующую термообработку покрытия в отличие от прототипа, ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами по крайней мере одного из элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, а в качестве материала для жаростойкого слоя используют сплав состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, причем нанесение жаростойкого слоя проводят в среде азота в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст., жаростойкий слой наносят при периодической имплантации ионами по крайней мере одного из элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, с получением жаростойких микро- и нанослоев, разделенных имплантированными микро- и нанослоями.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, причем толщина жаростойкого слоя может составлять от 10 мкм до 70 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое - от 3 до 1500.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия нанесение дополнительных слоев покрытия может быть осуществлено вакуумными ионно-плазменными методами, а ионная имплантация проведена при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см², причем после нанесения покрытия может быть проведен его диффузионный отжиг в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст. в течение от 2 до 5 часов, при температуре от 950°С до 1050°С.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия после нанесения жаростойкого слоя газотермическим и/или ионно-плазменным методом наносят керамический слой толщиной от 20 до 300 мкм состава Y₂o₃ - 5..9% вес, ZrO₂ - остальное, затем лопатку с нанесенными слоями подвергают отжигу при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10^-3 до 10^-4 мм рт.ст., а перед нанесением керамического слоя на поверхность жаростойкого слоя может быть нанесен слой по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.

Для оценки стойкости лопаток газовых турбин, с жаростойкими покрытиями, полученными по известному и предлагаемому способам, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения покрытий на образцы из кобальтовых и никелевых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000) приведены в таблице 1.

Табл.1
№ группы образцов	Ионы, имплантируемые в основу	Ионы, имплантируемые в покрытие	Жаростойкий слой	Дополнительный слой на поверхности лопатки	Дополнительный слой на жаростойком слое
1	2	3	5	6	7
(Прот.)	-	-	Si-12%	-	-
			Ni-10%
			В-1,6% Al - ост.
1	Nb	Y+Pt	Si - 4,0% Y - 1,0% Al - ост.	Nb, толщ. 0,1 мкм	Nb, толщ. 0,1 мкм
2	Yb	Y+Cr
3	Yb+Nb	Y+Cr	Pt, толщ. 0,1 мкм
4	Pt	Nb
5	Y	Nb	Si - 12,0% Y - 2,0% Al - ост.	Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм	Nb, толщ. 2,0 мкм
6	Y+Pt	Yb
7	Y+Cr	Yb	Nb, толщ. 2,0 мкм	Cr, толщ. 0,1 мкм
8	Y+Cr	Pt
9	Hf+Nb	Y	Si- 6,0% Y - 1,5% Al - ост.	Pt, толщ. 0,1 мкм	Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
10	La+Nb+Y	Cr+Si
11	Yb+Nb	Yb+Nb	Cr, толщ. 0,1 мкм	Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
12	Si+Cr	Hf+Nb
13	Y	Y	Si - 8,0% Y - 1,0% Al - ост.	Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 2,0 мкм
14	Pt	Nb
15	Cr+Si	Pt	Pt, толщ. 2,0 мкм	Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
16	Nb	Cr+Si
17	La	Hf	Si - 10% Y - 2,0% Al - ост.	Cr, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 0,1 мкм
18	La	La
19	Yb+Nb	Yb	Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм	Cr, толщ. 2,0 мкм
20	Yb	Yb
21	N	Hf	Si - 10% Y - 2,0% Al - ост.	Ag+Pd, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 0,1 мкм
22	La	La
23	Yb+Nb	Yb	Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм	Ag+Pd, толщ. 2,0 мкм
24	Yb	Yb
25	N	Hf	Si - 8,0% Y - 1,0% Al - ост.	Ag+Pd, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 0,1 мкм
26	La	La
27	Yb+Nb	Yb	Nb+Cr, толщ. 1,0 мкм	Pt+Pd, толщ. 1,0 мкм
28	N	Yb

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (N, Pd, Ag или их его сочетанием, а также их сочетанием с ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si,) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см². Материал дополнительных слоев и схема их чередования - согласно таблицы 1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу жаростойкий слой - толщиной от 10 мкм до 70 мкм. При формировании по предлагаемому способу толщина жаростойкого слоя составляла от 10 мкм до 70 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляло от 3 до 1500 (3; 12; 250; 1000; 1500).

Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате проведенных испытаний было установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток составляет:

1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 220-235 МПа;

2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 270-290 МПа, кобальтовые - 260-275МПа (таблица 2);

Табл.2
№ группы образцов	Никелевые сплавы, МПа	Кобальтовые сплавы, МПа
1	2	3
1	270-290	250-260
2	265-290	250-265
3	265-290	250-270
4	270-300	250-260
5	280-295	250-275
6	275-290	245-270
7	260-290	250-275
8	270-290	250-265
9	280-295	250-260
10	275-290	250-280
11	275-290	245-275
12	280-300	250-260
13	270-295	250-275
14	275-290	250-265
15	265-290	250-270
16	270-290	240-275
17	280-295	250-275
18	270-280	250-260
19	270-290	250-275
20	280-300	250-260
21	270-295	250-275
22	275-290	250-265
23	270-290	250-270
24	280-300	240-275
25	280-295	250-275
26	270-290	245-270
27	270-290	250-275
28	280-300	240-255

Изотермическая жаростойкость покрытий оценивалась на образцах диаметром d=10 мм и длиной l=30 мм. Образцы покрытиями помещались в тигли и выдерживались на воздухе при температуре Т=1200°С. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялось путем визуального осмотра через каждые 50 часов испытаний при температуре 1200°С. Взвешивание образцов вместе с окалиной производилось через 500 и 1000 ч испытаний, при этом определялась величина удельного прироста массы образца на единицу его поверхности по сравнению с исходным весом ΔР, г/м². Полученные результаты представлены в таблице 3.

Табл.3
№ группы	Циклическая	Изотермическая жаростойкость,
образцов	жаростойкость,	τ, ч	ΔР, г/м2
	цикл.		500 ч	1000 ч
1	2	3	4	5
0	550	350	7,3	13,0
1	850	650	6,3	10,6
2	900	600	5,6	9,7
3	950	700	6,1	10,0
4	900	750	4,4	8,9
5	850	700	5,9	9,1
6	900	850	3,6	7,9
7	950	850	6,6	10,8
8	700	650	5,2	9,1
9	850	600	6,3	10,5
10	900	700	4,8	8,7
11	950	800	4,2	8,6
12	750	650	5,5	9,2
13	750	600	5,8	10,1
14	850	800	4,4	9,7
15	900	650	4,8	9,9
16	950	600	4,1	8,6
17	800	700	5,2	8,7
18	850	650	5,7	8,9
19	900	600	5,2	9,1
20	900	800	5,4	9,7
21	750	600	5,8	10,1
22	850	800	4,4	9,7
23	900	650	4,8	9,9
24	950	600	4,1	8,6
25	800	700	5,2	8,7
26	850	600	6,6	10,8
27	900	700	4,9	8,9
28	950	800	4,5	8,7

Повышение жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3), указывает на то, что при применении следующих вариантов нанесения жаростойкого покрытия на лопатки турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок: ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки; вакуумно-плазменное нанесение жаростойкого слоя и последующая термообработка покрытия; ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки ионами по крайней мере одного из элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, использование в качестве материала для нанесения жаростойкого слоя сплава состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное; нанесение жаростойкого слоя в среде азота в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст.; нанесение жаростойкого слоя при периодической имплантации ионами по крайней мере одного из элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, с получением жаростойких микро- и нанослоев, разделенных имплантированными микро- и нанослоями; перед нанесением жаростойкого слоя дополнительное нанесение на поверхность лопатки слоя по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; использование толщины жаростойкого слоя от 10 мкм до 70 мкм, а количества микро- или нанослоев в жаростойком слое от 3 до 1500; нанесение дополнительных слоев покрытия вакуумными ионно-плазменными методами; проведение ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см²; проведение, после нанесения покрытия его диффузионного отжига в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст. в течение от 2 до 5 часов, при температуре от 950°С до 1050°С; нанесение газотермическим и/или ионно-плазменным методом, после нанесения жаростойкого слоя, керамического слоя толщиной от 20 до 300 мкм состава Y₂O₃ - 5…9% вес, ZrO₂ - остальное, с последующим отжигом лопатки с нанесенными слоями при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10^-3 до 10^-4 мм рт.ст.; нанесение слоя по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, на поверхность жаростойкого слоя перед нанесением керамического слоя - позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышения жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

1. Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки, вакуумно-плазменное нанесение на лопатку жаростойкого слоя и последующую термообработку покрытия, отличающийся тем, что ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами по крайней мере одного из элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, a в качестве материала для жаростойкого слоя используют сплав состава: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, причем нанесение жаростойкого слоя проводят в среде азота в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст., жаростойкий слой наносят при периодической имплантации ионами по крайней мере одного из элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag с получением жаростойких микро- и нанослоев, разделенных имплантированными микро- и нанослоями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что толщина жаростойкого слоя составляет от 10 мкм до 70 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляет от 3 до 1500.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что нанесение дополнительных слоев покрытия осуществляют вакуумными ионно-плазменными методами.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что нанесение дополнительных слоев покрытия осуществляют вакуумными ионно-плазменными методами.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что после нанесения покрытия проводят его диффузионный отжиг в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст. в течение от 2 до 5 ч при температуре от 950°С до 1050°С.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что после нанесения покрытия проводят его диффузионный отжиг в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст. в течение от 2 до 5 ч при температуре от 950°С до 1050°С.

9. Способ по по любому из пп.1-5, 8, отличающийся тем, что после нанесения жаростойкого слоя газотермическим и/или ионно-плазменным методом наносят керамический слой толщиной от 20 до 300 мкм состава Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное, затем лопатку с нанесенными слоями подвергают отжигу при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 ч в вакууме от 10^-3 до 10^-4 мм рт.ст.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что после нанесения жаростойкого слоя газотермическим и/или ионно-плазменным методом наносят керамический слой толщиной от 20 до 300 мкм состава Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное, затем лопатку с нанесенными слоями подвергают отжигу при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 ч в вакууме от 10^-3 до 10^-4 мм рт.ст.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что после нанесения жаростойкого слоя газотермическим и/или ионно-плазменным методом наносят керамический слой толщиной от 20 до 300 мкм состава Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное, затем лопатку с нанесенными слоями подвергают отжигу при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 ч в вакууме от 10^-3 до 10^-4 мм рт.ст.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что перед нанесением керамического слоя на поверхность жаростойкого слоя наносят слой по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.

13. Способ по любому из пп.10-11, отличающийся тем, что перед нанесением керамического слоя на поверхность жаростойкого слоя наносят слой по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.