Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов

Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов

Реферат

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