ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ
HIGH-TEMPERATURE HEAT-RESISTANT COATING

Изобретение относится к областям порошковой металлургии, в частности к неорганическим покрытиям из многослойных композиционных материалов, и может быть использовано в машиностроении для получения высокотемпературного теплозащитного покрытия (ТЗП) методом газотермического напыления, например плазменного, на деталях камеры сгорания ГТД, а также для огнестойких покрытий в специальных целях.
Известен композиционный материал для высокотемпературного теплозащитного покрытия (Патент РФ №2303649 C2, 27.07.2007, C23C 4/10), включающий нитрид бора и стабилизированный диоксид циркония. При этом композиционный материал содержит также нихромовое волокно длиной 3-5 мм, а стабилизированный диоксид циркония содержится в двух фракциях - диоксид циркония, стабилизированный 7% оксида иттрия, фракции 100-250 мкм и стабилизированный диоксид циркония активированной пылевидной фракции, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Стабилизированный диоксид циркония
фракции 100-25 0 мкм
10-15
Нитрид бора
15-25
Нихромовое волокно
9-12
Стабилизированный диоксид циркония
активированной пылевидной фракции
остальное
Недостатком данного технического решения является то, что получаемое из указанного материала покрытие имеет низкое сцепление с поверхностью основы и невысокую рабочую температуру на воздухе (до 1000°C) из-за окисления при этой температуре нихромового волокна. Помимо этого повышается трудоемкость получения исходного состава композиционного материала и теплозащитного покрытия из него, поскольку данный способ требует нанесения влажного состава на поверхность основы ручным или механизированным способом, и также последующие сушку и прессование в вакууме при нагреве до 1100°C. А кроме того, нанесение используемого в данном решении композиционного материала требует применения специального дорогостоящего оборудования и приспособлений (вакуумные печи, термофиксаторы), особенно при нанесении на крупноразмерные конструкции сложной формы.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению является высокотемпературное теплозащитное покрытие (А.С. №1767926 A1, 15.08.1994, C23C 4/06), содержащее рабочий слой из диоксида циркония, подслой из сплава на основе никеля и промежуточные слои системы металл - диоксид циркония, при этом рабочий слой дополнительно содержит нитрид бора и/или графит, а диоксид циркония стабилизирован 5-10 масс.% оксида иттрия, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Диоксид циркония,
стабилизированный 5-10 масс.% оксида иттрия
80-95
Нитрид бора и/или графит
5-20
Недостатком данного технического решения является то, что порошковый материал, применяемый для получения данного теплозащитного покрытия, является механической смесью порошков, в которой частицы диоксида циркония и нитрида бора не связаны друг с другом, т.е. не скомпактированы в гранулы. В связи с тем, что нитрид бора является мелкодисперсным тугоплавким, инертным порошком, не образующим покрытия (в чистом виде), то в процессе напыления такого порошкового материала будет происходить его расслоение на составляющие компоненты, что приведет к потере нитрида бора в полученном покрытии.
Технический результат заявленной полезной модели - расширение диапазона рабочих условий теплозащитного покрытия путем повышения качества покрытия.
2
2
3
2
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что высокотемпературное теплозащитное покрытие содержит подслой из сплава на основе никеля (Ni) и рабочий слой на основе диоксида циркония (ZrO), стабилизированного 7-8 масс.% оксида иттрия (YO), при этом согласно изобретению рабочий слой дополнительно содержит никель (Ni), которым плакирован стабилизированный диоксид циркония ZxO(7-8)%YO, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Никель
33-37
Диоксид циркония,
стабилизированный 7-8 масс.% оксида иттрия
остальное до 100
При этом рабочий слой многослойного теплозащитного покрытия может быть выполнен толщиной 0,1-0,2 мм.
При этом между подслоем и рабочим слоем может быть выполнен промежуточный слой системы сплав на основе никеля - плакированный никелем стабилизированный 7-8 масс.% оксида иттрия диоксид циркония, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Сплав на основе никеля
15-20
Диоксид циркония,
стабилизированный 7-8 масс.% оксида иттрия,
плакированный никелем
остальное до 100,
где сплав на основе никеля может содержать хром (Cr), алюминий (Al), иттрий (Y), при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Хром
17-25
Алюминий
6-16
Иттрий
0,5-3
Никель
остальное до 100,
а плакированный никелем стабилизированный 7-8 масс.% оксида иттрия диоксид циркония может содержать компоненты при следующем соотношении, масс.%:
Никель
33-37
Диоксид циркония,
стабилизированный 7-8 масс.% оксида иттрия
остальное до 100
Кроме того, промежуточный слой может быть выполнен толщиной 0,1-0,15 мм.
Процесс стабилизации диоксида циркония оксидом иттрия позволяет получить твердый раствор с устойчивой тетрагональной решеткой, остающийся неизменным при нагреве и охлаждении материала, что позволяет исключить усадку при нагреве и расширение при охлаждении материала при термоциклах в ГТД. Покрытие, состав которого включает стабилизированный диоксид циркония, обладает высокой температурой плавления, высокой стойкостью к тепловым ударам, низкой теплопроводностью, твердостью, устойчивостью к действию кислот и щелочей, поэтому его использование позволяет противостоять высоким температурам и химически агрессивным средам при эксплуатации.
Наиболее оптимальным является использование диоксида циркония, стабилизированного 7-8 масс.% оксида иттрия.
Наличие стабилизированного диоксида циркония в составе композиционного материала позволяет снизить на 100-150°С величину теплового потока через покрытие и замедлить фазовые превращения, существенно изменяющие начальное состояние системы металлического сплава детали при температурах более 1050°C.
2
2
3
Плакирование порошка ZrO(7-8)%YO никелем в количестве 33-37 масс.% позволяет получить покрытие с устойчивыми характеристиками: толщиной рабочего слоя, адгезией к поверхности подслоя из сплава на основе Ni. Наличие в составе рабочего слоя Ni позволяет повысить термическую стойкость ТЗП от растрескивания и скалывания керамического покрытия в процессе эксплуатации.
2
2
Включение в состав никеля в количестве 33-37 масс.% является оптимальным, т.к. при содержании никеля в составе порошка ZrO(7-8)%YO более 37% возрастает теплопроводность, снижаются термобарьерные свойства и противостояние высоким температурам. При содержании никеля менее 33% термобарьерные свойства ТЗП возрастают, но при этом снижается эрозионная стойкость покрытия в газовом потоке продуктов сгорания. Также снижается термическая стойкость ТЗП (число теплосмен до разрушения покрытия) за счет уменьшения металлической связки (падает пластичность), повышается вероятность образования сколов ТЗП.
ТЗП получается последовательным нанесением нескольких слоев покрытий из порошков:
первый слой (подслой) - жаростойкий толщиной 0,1-0,2 мм из сплава на основе никеля Ni22Cr10Al1.OY;
2
2
3
2
2
3
2
2
3
второй слой - толщиной 0,15-0,25 мм на основе плакированного никелем (Ni) диоксида циркония (ZrO) стабилизированного 7-8 масс.% оксида иттрия (YO) - [Ni+ZrO(7-8)%YO] с массовой долей никеля - 33-37%. Для повышения жаростойкости и длительной прочности ТЗП может дополнительно наноситься промежуточный слой Ni22Cr10Al1.OY+[Ni+ZrO(7-8)%YO] толщиной 0,1-0,15 мм.
2
2
3
2
2
3
2
2
3
При этом порошок [Ni+ZrO(7-8)%YO] получается методом осаждения (восстановления) Ni из раствора солей Ni на порошок ZrO(7-8)%YO (диэлектрик) в процессе химической реакции (плакирования). Процесс является периодическим, равновесие в сторону процесса плакирования ZrO(7-8)%YO достигается применением катализатора. По этой технологии был получен порошок со следующими физико-химическими показателями:
цвет порошка - серый;
массовая доля Ni - 35±2 масс.%;
2
2
3
стабилизированный диоксид циркония системы Zr0(7-8)%YO - остальное до 100 масс.%;
основная фракция частиц: 40-80 мкм.
Данное ТЗП может быть нанесено высокотехнологичным и широко распространенным методом газотермического плазменного напыления.
Пример применения.
Необходимо было получить ТЗП на внутренней поверхности корпуса жаровой трубы кольцевого типа камеры сгорания газотурбинного двигателя из никелевого сплава ХН5ОВМТЮБ-ВИ (ЭП648-ВИ).
2
2
3
Первый этап включал подготовку композиционного материала для ТЗП. Порошок [Ni+ZrO7YO] в поддоне из нержавеющей стали был просушен слоем не более 20 мм при T=100…120°C не менее 2-х часов в сушильном шкафу.
Второй этап включал подготовку детали - корпуса жаровой трубы камеры сгорания для последующего нанесения на нее ТЗП в следующей последовательности:
сборка детали с технологическим защитным приспособлением кольцевого типа;
обезжиривание покрываемых поверхностей детали промывкой бензином-нефрасом;
пескоструйная обработка (обдувка электрокорундом) покрываемых поверхностей;
обдувка сухим сжатым воздухом;
визуальный контроль, подготовленной под напыление поверхности; замер толщины стенок детали.
В такой же последовательности были подготовлены под напыление образцы для испытания ТЗП на термостойкость.
Третий этап включал напыление ТЗП в следующей последовательности:
2
2
3
засыпку порошков Ni22Cr10Al1.OY и [Ni+ZrO7YO] в колбы дозаторов установки плазменного напыления;
напыление жаростойкого подслоя Ni22Crl0Al1.OY толщиной 0,2 мм порошком, подаваемым из соответствующего дозатора;
2
2
3
2
2
3
напыление, промежуточного слоя Ni22Cr10Al1.OY+[Ni+ZrO7YO] толщиной 0,15 мм порошками одновременно из соответствующих дозаторов в соотношении (масс.%): Ni22Cr10Al1.OY - 15% и [Ni+ZrO7YO] - 85%;
2
3
напыление рабочего слоя [Ni+ZrO27YO] порошком плакированного никелем диоксида циркония стабилизированного оксидом иттрия толщиной 0,2 мм из соответствующего дозатора.
Для удаления пыли и охлаждения детали в процессе напыления поверхность с покрытием обдувалась сухим сжатым воздухом давлением 0,5-0,6 МПа.
Последний, четвертый, этап включал:
разборку детали из технологического защитного приспособления;
визуальный контроль покрытия на отсутствие трещин, сколов, отслоений и контроль толщины покрытия путем повторного замера толщины стенок детали с ТЗП.
KC
Образцы с полученным ТЗП подвергли циклическим испытаниям на термостойкость на газодинамическом стенде путем нагрева до температуры 1050°C за 10 сек., выдержки в течение 10 сек. и охлаждения до температуры 300°C в течение 10 сек. Затем натурная деталь (жаровая труба камеры сгорания) прошла стендовые испытания в составе двигателя. Температура камеры сгорания Ткс составила 1600°С, а кратковременно до 1880°C, в то время как в известном решении T=1250°C.
Положительным результатом испытаний образцов и натурной детали - камеры сгорания с ТЗП, полученным из заявленных компонентов, стало то, что благодаря его использованию ресурс камеры сгорания увеличился в 1,5-1,7 раза, а тяга возросла на 2000 кгс с 12500 до 14500 кгс за счет повышения температуры газа на 350°С по сравнению с базовым двигателем, где используется известное ТЗП.
Таким образом, использование ТЗП из предложенных компонентов обеспечивает повышение его качества за счет улучшения служебных свойств в интервале температур от 1250°C и выше, а также повышение эффективности работы камеры сгорания в целом, что сводит к минимуму преждевременный износ дорогостоящих частей ГТД.