Многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов

Многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для деталей, работающих в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, например для сопловых лопаток газотурбинных двигателей.

Для таких деталей наиболее распространенным является использование керамического покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO₂-Y₂O₃) с предварительно нанесенным адгезионным слоем или связующим слоем MeCrAlY, где металл Me-Ni, Co, Cr (патент России №2445199, B23P 6/00, C23C 14/06, опубл. 20.03.2012 г.).

Недостатком такого покрытия является возникновение термических напряжений, приводящих к разрушению. Также керамическое покрытие разрушается из-за того, что внешний слой и подложка имеют разные коэффициенты термического расширения.

Наиболее близким техническим решением является покрытие на основе Al₂O₃ (35 весовых долей, %), где одним из вторых оксидов металлов является TiO₂, а также 10 весовых долей, % Al₂O₃, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅, SiO₂, Te₂O₅ и V₂O₅ (патент России №2332522, C23C 4/10, опубл. 26.02.2003 г.). Данное покрытие является аморфным, одной из кристаллических фаз является .

Недостатком данного покрытия является высокая хрупкость, присущая системе Al₂O₃-TiO₂, а добавки на основе SiO₂, V₂O₅, P₂O₅, As₂O₃ не снижают хрупкость, зато резко уменьшают температуру плавления многокомпонентной смеси, тем самым понижая максимальную температуру эксплуатации покрытия. Высокие напряжения возникают из-за разницы коэффициента термического расширения углерод-углеродного керамического материала и материала покрытия.

Задачей предложенного технического решения является устранение недостатков вышеназванных технических решений, повышение твердости покрытия и адгезии покрытия к подложке при снижении его плотности и коэффициента термического расширения.

Поставленная задача достигается за счет того, что многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, включающее теплоизоляционные слои на основе системы оксид алюминия - оксид титана (Al₂O₃-TiO₂), имеет дополнительно внешний слой, содержащий гексаборид лантана LaB₆ при следующем соотношении компонентов, вес. %:

гексаборид лантана (LaB6)	0,5-5,0
оксид титана (TiO2)	2,0-3,0
оксид алюминия (Al2O3)	остальное

а слои покрытия по толщине: слой на изделии ZrN, средний слой Ni22Cr10AlY и внешний слой Al₂O₃-TiO₂-LaB₆ относятся между собой как 1:2,5:5.

В предлагаемом многослойном жаростойком покрытии повышение максимальной температуры эксплуатации, снижение напряжений в покрытии до уровня, не превышающего уровень разрушения покрытия, обеспечивается за счет введения модифицирующей добавки гексаборида лантана в количестве 0,5-5,0% вес., так как он является наиболее тугоплавким компонентом из всех составляющих покрытие (T_пл=2700°C). В процессе эксплуатации изделий протекают реакции разложения гексаборида лантана

4LaB₆+21O₂=2La₂O₃+12 B₂O₃

В результате образуется стекловидная фаза на основе оксидов лантана и бора, которая отражает тепловой поток подобно боросиликатному стеклу и активно участвует в залечивании образующихся в процессе эксплуатации дефектов. Также происходит образование сложных шпинелей на основе , где лантан выступает в качестве атома замещения, благодаря чему увеличивается прочность покрытия.

Слои покрытия по толщине относятся между собой как 1:2,5:5, то есть слой на изделии составляет 20-30 мкм, средний слой - 50-70 мкм, а внешний слой - 100-150 мкм, и выбраны так, чтобы напряжения в системе покрытия углерод-углеродный композиционный материал были ниже предела прочности покрытия. Компоненты покрытия и толщина слоев были выбраны в соответствии с их коэффициентами термического расширения, который плавно повышается от слоя на изделии к внешнему слою, повышается и жаростойкость покрытия с увеличением толщины слоев.

Пример

Были изготовлены образцы изделий из углерод-углеродного керамического материала с предложенным многослойным жаростойким покрытием с различным содержанием гексаборида лантана во внешнем слое.

На предварительно отожженный в вакууме при температуре 1200°C в течение 1,5 часов углерод-углеродный композиционный материал наносили ZrN на установке ионно-плазменного напыления на прямоточном катоде при токе 90 А, напряжении 1,5 кВ в течение 1,5 часов толщиной 20-30 мкм. Далее наносили сплав MeCrAlY из полых гранул указанного состава методом плазменного напыления в защитной атмосфере в аргон- водородной плазме толщиной 50-70 мкм. После этого наносили порошок Al₂O₃-TiO₂ в смеси LaB₆ фракцией 50-70 мкм и 60-160 мкм.

Гексаборид лантана требуемой фракции приготавливался грануляцией порошка гексаборида лантана размером 4,65 мкм с использованием связующего поливинилового спирта (ПВС) с подсушкой в течение 1 часа и последующим просеиванием через соответствующее сито 160 мкм с обкаткой и разделением по фракциям от 0 до 63 мкм и 63-160 мкм. Полученный гранулированный порошок механически смешивали с порошком Al₂O₃-TiO₂, загружали в бункер и наносили на слой MeCrAlY. В процессе нанесения гранулированного порошка происходило образование мелких капель, разводимых в стороны в плазменном потоке за счет выделения связующего, и получали равномерное покрытие с плотностью, близкой к плотности спеченной керамики. Высокая плотность покрытия способствует лучшей защите от агрессивных ионов кислорода, воздействию которых подвергается материал в процессе эксплуатации.

Результаты испытаний изделий приведены в таблице.

Как видно из таблицы, при содержании гексаборида лантана меньше 0,5% вес. покрытие выдерживает однократный цикл нагрев-охлаждение в течение 400 с при 2000°C, имеется сетка трещин с четкими краями. При 0,5% вес. гексаборида лантана покрытие выдерживает 8 циклов, сетка трещин имеет оплавленные края. При 1,5-3,0% вес. гексаборида лантана покрытие выдерживает более 15 циклов, сетка трещин не образуется, видны лишь отдельные следы, затекшие жидким стеклом. При содержании гексаборида лантана более 3,0% вес. покрытие выдерживает 30 циклов, поверхность покрытия гладкая стекловидная и не имеет трещин. При содержании гексаборида лантана более 5,5% вес. покрытие не выдерживает ни одного цикла работы из-за избытка стекловидной фазы, поверхность пронизана трещинами, имеются места раздува жидкого стекла до основы.

В процессе изучения покрытия также была определена прочность сцепления с основой при различном содержании модифицирующей добавки методом адгезионного царапания (скрабирования). Результаты показаны в таблице.

Проведенные испытания показали наличие фазы и шпинели с лантаном в качестве атома замещения. Проведение испытания на износостойкость показало работоспособность покрытия.

Многослойное жаростойкое покрытие, нанесенное на изделие из углерод-углеродного композиционного материала, содержащее слой ZrN, нанесенный на изделие, средний слой из Ni22Cr10AIY и внешний теплоизоляционный слой на основе системы оксид алюминия - оксид титана, отличающееся тем, что внешний слой дополнительно содержит гексаборид лантана при следующем соотношении компонентов в слое, вес.%:

гексаборид лантана (LaB6)	0,5-5,0
оксид титана (TiO2)	2,0-3,0
оксид алюминия (Al2O3)	остальное

а слои покрытия: слой ZrN, слой Ni22Cr10AIY и слой Al₂O₃-TiO₂-LaB₆ относятся между собой по толщине как 1:2,5:5.