СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭРОЗИОННОСТОЙКИХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
PRODUCTION OF EROSION- AND HEAT-RESISTANT COATINGS

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для защиты теплонагруженных узлов и элементов конструкции двигательных установок, том числе камер сгорания (КС) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), от теплового и эрозионного разрушения в струе высокотемпературных продуктов сгорания топлива путем нанесения методом плазменного напыления эрозионностойких теплозащитных покрытий (ЭТЗП).
Одной из актуальных задач, связанных с повышением работоспособности плазменных теплозащитных покрытий, является задача увеличения их адгезионной прочности и термостойкости, что обеспечивает работоспособность теплонапряженных узлов в условиях многоразового воздействия высокотемпературных газовых потоков продуктов сгорания топлива.
Известен способ получения ЭТЗП с повышенными значениями отрывной прочности и термостойкости (см. «Порошковая металлургия и напыленные покрытия». Под редакцией Б.О. Митина, М.: Металлургия, 1987 г., стр.560), в котором повышение технических характеристик плазменных покрытий достигается за счет добавок в покрытие пластичного материала, например нихрома, и использование между основой и покрытием переходных слоев, имеющих переменное, уменьшающееся от подложки к основному покрытию содержание пластичной добавки. Такими слоями, например, могут быть:
2
- 1-й слой 95-65% вес. NiCr ÷ 5÷35% вес. ZrO;
2
- 2-й слой 65-35% вес. NiCr ÷ 35÷65% вес. ZrO;
2
- 3-й слой 5-35% вес. NiCr ÷ 95÷65% вес. ZrO.
Таким образом, в данном способе реализуется решение по созданию зоны фазового перехода от подложки к покрытию.
Описанный способ позволяет повысить адгезионную прочность ЭТЗП до величины σA≈7,0÷8,0 МПа и получить термостойкость n≈8÷10 циклов. Недостатком способа является то, что приведенные характеристики не обеспечивают работоспособность в условиях воздействия высокотемпературных газовых потоков КС ЖРД перспективных образцов ракетной техники. Недостатком способа также являются значительные трудности в обеспечении стабильности и воспроизводимости нанесения многослойных покрытий на сложные внутренние поверхности КС ракетных двигателей. Кроме того, нанесение покрытий за несколько проходов нетехнологично и ухудшает когезионные характеристики пакета теплозащитного покрытия в целом.
Известен также способ получения ЭТЗП (см. патент РФ на изобретение №2283363), принятый за прототип, в котором повышение характеристик плазменных покрытий достигается за счет напыления подслоя нихрома и керметной композиции, содержащей 50÷80 масс.% диоксида циркония и 50÷20 масс.% нихрома, при этом керметную композицию готовят из порошков диоксида циркония и нихрома с размером частиц 10÷40 мкм и 40÷100 мкм соответственно, а ее подачу в плазменную струю осуществляют под срез сопла плазматрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, при этом в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид кальция, содержание которого составляет величину 4÷6% масс.
A
Данный способ позволяет за один проход формировать зону фазового перехода от металлического подслоя к исходному составу ЭТЗП и, как следствие, повысить адгезионную прочность теплозащитных покрытий и их термостойкость до средних значений σ≈12,0÷17,0 МПа и n≈0÷30 циклов.
Приведенные характеристики ЭТЗП достигаются при подводимой к плазмотрону мощности N≈32÷34 кВт, дистанции напыления L≈(100±10) мм и угле напыления θ≈(90±5)°.
Недостатком способа является то, что в случае нанесения ЭТЗП на КС перспективных ЖРД, имеющих малый диаметр критического сечения, необходимо снижать подводимую к плазменному распылителю мощность, увеличивать дистанцию напыления при малых углах оси плазменной струи к напыляемой поверхности, что приводит к снижению степени проплавления порошковых частиц композиционных смесей, уменьшению их кинетической энергии и, как следствие, к снижению уровня свойств ЭТЗП в целом.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение характеристик плазменных ЭТЗП, формируемых из механических керметных смесей методом плазменного напыления при пониженных значениях энтальпии плазменной струи, при увеличенной дистанции напыления под малыми углами.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем плазменное напыление подслоя нихрома и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50÷80 масс.% диоксида циркония и 50÷20 масс.% никельсодержащего материала, подачу которой в плазменную струю осуществляют под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, согласно изобретению в качестве никельсодержащей металлической составляющей керметной композиции используют порошок никеля, плакированный алюминием с содержанием алюминия 10÷15 масс.% дисперсностью 63÷125 мкм, при этом в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия, содержание которого составляет величину 8÷12 масс.%.
3
Разработанный способ получения покрытий обеспечивает повышение характеристик ЭТЗП за счет дополнительного выделения тепла в пятне напыления в ходе экзотермической реакции образования алюминидов NiAl, NiAl:
Полнота протекания реакций (1) и (2) зависит от температуры и времени нахождения напыляемых частиц в реакционном состоянии. Максимальный тепловой эффект реакций достигается в диапазоне температур от 600 до 800°C и зависит от способа изготовления композиционного порошка.
Энтальпия напыляемых частиц при завершении реакции может достигать 150÷300 кДж/моль, что позволяет значительно повысить адгезионные и когезионные характеристики ЭТЗП.
Сущность заявленного способа поясняется таблицей, в которой приведены характеристики ЭТЗП.
Сущность заявленного способа будет ясна из приведенного ниже примера.
Пример
2
2
На образцы из медного сплава БрХ08 наносили методом плазменного напыления покрытия, состоящие из нихромового подслоя и кермета. Кермет готовили двух составов: 80 масс.% ZrO+20 масс.% (Ni-Al) и 50 масс.% ZrO+50 масс.% (Ni-Al).
2
3
Использовали порошок диоксида циркония грануляцией 10-40 мкм, стабилизированный 8÷12 масс.% оксида иттрия (YO), и порошок никеля, плакированный алюминием, грануляции 63÷125 мкм. Содержание алюминия в порошке никеля составляло величину 10÷15 масс.%.
2
3
2
Выбор в качестве стабилизирующей добавки YO с указанным массовым содержанием обусловлен необходимостью обеспечения полной стабилизации ZrO с сохранением кубической модификации вплоть до комнатной температуры.
2
2
3
Диоксид циркония с содержанием оксида кальция (CaO) 4÷6 масс %, а также ZrO с содержанием стабилизирующей добавки YO менее 8 масс.% является частично стабилизированным (содержится до 10% моноклинной фазы), что отрицательно сказывается на термостойкости ЭТЗП.
2
3
2
Экспериментально было установлено, что увеличение содержания стабилизирующей добавки YO более 12 масс.% не приводит к повышению уровня служебных характеристик ЭТЗП, однако стоимость порошка ZrO при этом существенно возрастает.
Также экспериментально было получено, что при содержании алюминия в порошке никеля 20 масс.% и более имеет место снижение термостойкости ЭТЗП, которое обусловлено, по-видимому, увеличением количества хрупких алюминидов в покрытии.
Гранулометрический размер частиц порошка никеля, плакированного алюминием 63÷125 мкм определен на основании расчетных исследований по изучению нагрева и траектории движения порошковых частиц в плазменной струе с целью получения неравномерного распределения компонентов механической керметной смеси по сечению плазменной струи и, как следствие, формированию зоны фазового перехода.
Подачу механической керметной смеси в плазменную струю осуществляли под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности.
д
д
Режим напыления: подводимая к плазмотрону мощность N=21,6 кВт (ток дуги J=360 А, напряжение на дуге U=60 В); дистанция напыления L=150 мм; угол напыления θ=45°.
Для получения сравнительных данных параллельно проводили нанесение керметных теплозащитных покрытий на образцы из того же медного сплава известным способом.
Контроль фазового состава покрытий и распределение металлической составляющей по толщине выполняли металлографическим способом.
Определение адгезионной прочности и термостойкости покрытий осуществляли в соответствии с требованиями методик, изложенных в ОС 92-1406-68 «Покрытия эрозионностойкие неметаллические».
Полученные физико-механические и теплофизические свойства покрытий сведены в таблицу.
Как следует из таблицы, использование предложенного способа получения эрозионностойких теплозащитных покрытий по сравнению с известным решением позволяет при указанных выше режимах (подводимая к плазмотрону мощность, дистанция и угол напыления) повысить адгезионную прочность и термостойкость ЭТЗП в 1,5÷2 раза за счет дополнительного выделения тепла в пятне напыления в ходе экзотермической реакции при формировании зоны фазового перехода.
Содержание ZrO<sub>2</sub> в смеси, масс.%
Способ нанесения покрытий
Толщина покрытия, мкм
Стабилизирующая добавка, масс.%
Содержание алюминия, масс.%
Адгезионная прочность,кгс/см<sup>2</sup>
Термостойкость, циклы
80
Предложенный
120÷150
8÷12% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10÷15
120÷150
17÷20
Известный
120÷150
4÷6% CaO
-
70÷80
8÷12
50
Предложенный
120÷150
8÷12% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10÷15
150÷180
25÷30
Известный
120÷150
4÷6% CaO
-
90÷100
15÷18