СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ ТУРБОМАШИН
METHOD OF PRODUCING REFRACTORY COAT OF GAS TURBINE VANES

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения жаростойких 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.]. 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].
2
Известны также способы защиты лопаток газовых турбин алитированием поверхности пера с предварительным нанесением слоя из никелевых сплавов или металлов платиновой группы [Например, 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. Известен также следующий способ получения жаростойкого покрытия [9. 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/м и толщине внутреннего слоя покрытия 30 - 100 мкм и последующий вакуумный отжиг.
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 на лопатках турбомашин, включающий размещение лопаток в вакуумной камере установке, подготовку поверхности лопатки под нанесение покрытия и вакуумно-плазменное нанесение жаростойкого покрытия [10. Патент РФ №2228969, МПК С23С 28/00, публ.20.05.2004].
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 турбомашин, включающем размещение лопаток в вакуумной камере установки, подготовку поверхности лопатки под нанесение покрытия и вакуумно-плазменное нанесение жаростойкого покрытия в отличие от прототипа, нанесение жаростойкого слоя покрытия проводят при подаче в вакуумную камеру установки бора, или смеси бора с азотом или смеси бора с углеродом, концентрацией, достаточной для образования в формируемом слое соответственно боридов или их комплексных соединений с металлами, обеспечивающих торможение диффузионных процессов в покрытии при эксплуатации лопатки, причем в качестве материала жаростойкого покрытия используют сплав состава: Si 4,0 -4, 5%; Y 1,6-2,0%; Al - остальное, или Si от 5,5-12, 0%; Y от 1,0-2,0%; Al - остальное, или Si 4,0-12, 0%; Y 1,6-2,0%; Al - остальное, а нанесение жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, N, C,B, W, V, Ti, Zr или их сочетанием, которую каждый раз проводят до образования микро- или нанослоя, обеспечивая разделение всего жаростойкого слоя на микро- или нанослои, образованные как в результате имплантации ионов, так и в результате нанесения материала жаростойкого покрытия без импланатции ионов.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия на лопатках турбомашин подготовку поверхности лопатки под нанесение покрытия ведут ионно-плазменным методом с последующей ионно-имплантационной обработкой ионами одного или нескольких элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия на лопатках турбомашин, перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой одного или нескольких металлов Nb, Pt, Pd, Ag, Cr, толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, а нанесение жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, V, W, Cr, Ti, Zr, обеспечивающим формирование интерметаллидов и/или карбидов, при этом толщина жаростойкого слоя составляет от 10 мкм до 70 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляет от 3 до 1500, а нанесение дополнительных слоев покрытия осуществляют вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.
10
20
2
-3
Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия на лопатках турбомашин ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, а после нанесения покрытия проводят его диффузионный отжиг в вакууме не хуже 10 мм рт.ст. в течение от 2 до 5 часов при температуре от 950°С до 1050°С.
2
3
2
-3
-4
Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия на лопатках турбомашин после нанесения жаростойкого слоя газотермическим и/или ионно-плазменным и/или магнетронным и/или электронно-лучевым методом наносят керамический слой толщиной от 20 до 300 мкм состава YO - 5…9% вес, ZrO - остальное, затем лопатку с нанесенными слоями подвергают отжигу при температуре 1000-1050°С в течении от 2 до 5 часов в вакууме от 10до 10 мм рт.ст., а перед нанесением керамического слоя на поверхность жаростойкого слоя наносят слой одного или нескольких металлов Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1-2,0 мкм.
Для оценки стойкости лопаток газовых турбин, с жаростойкими покрытиями, полученными по известному [9. Патент РФ №1658652, МПК С23С 14/00. Способ получения комбинированного жаростойкого покрытия. опубл. 2000 г.] 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%
Nb, толщ.
Nb, толщ.
2
Yb
Y+Cr
Y - 1,0% Al -
0,1 мкм
0,1 мкм
3
Yb+Nb
Y+Cr
ост.
Pt, толщ.
4
Pt
Nb
0,1 мкм
5
Y
Nb
Si-12,0%
Nb+Pt, толщ.
Nb, толщ. 2,0
6
Y+Pt
Yb
Y - 2,0% Al -
0,5 мкм
мкм
7
Y+Cr
Yb
ост.
Nb, толщ. 2,0
Cr, толщ.
8
Y+Cr
Pt
мкм
0,1 мкм
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.
Сг, 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
29
La
С
Si - 6%Y - 2,0%Al - ост.
Cr, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 0,1 мкм
30
La
W
31
Yb+Nb
В
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 2,0 мкм
32
Yb
Ti
33
N
Zr
Si - 12%Y - 2,0%Al - ост.
Ag+Pd, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 0,1 мкм
34
La
W+C
35
Yb+Nb
C+Ti
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
Ag+Pd, толщ. 2,0 мкм
36
Yb
Zr+N
37
N
B+C
Si - 10,0%Y - 1,0%Al - ост.
Ag+Pd, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 0,1 мкм
38
La
W+Nb
39
Yb+Nb
C+V
Nb+Cr, толщ. 1,0 мкм
Pt+Pd, толщ. 1,0 мкм
40
N
N+C
10
20
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, N, C,B, W, Ti, Zr или их его сочетанием; периодическая имплантация ионами Nb, V, W, Cr, Ti, Zr или их сочетанием, обеспечивающим формирование их интерметаллидов и/или карбидов) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см. 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).
При подаче в вакуумную камеру установки бора или смеси бора с азотом или смеси бора с углеродом, концентрацией, достаточной для образования в формируемом слое соответственно боридов или их комплексных соединений с металлами, при нанесении покрытия были получены простые и комплексные соединения металлов с бором Ме-В, с бором и углеродом Ме-ВС, с бором и азотом Me-BN, где Me-Сr, Al, Y, Ni, CrAl, CrAlY, A1Y Ni, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Ag, W, V, Ti, Zr. TiZr, TiZr, AlTiZr, AITi, AlZr, NbPtYb, HfAgWV, CrAlYV В - бор, N -азот, С - углерод.
-1
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) 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 275-290 МПа, кобальтовые - 260-275МПа (таблица 2);
Табл.2
№группы образцов
Никелевые сплавы, МПа
Кобальтовые сплавы, МПа
1
2
3
1
270-295
245-275
2
275-290
250-260
3
265-290
250-275
4
270-290
250-265
5
280-295
250-275
6
275-290
245-270
7
260-290
250-260
8
270-290
250-260
9
270-290
250-275
10
265-290
250-265
11
265-290
250-270
12
270-300
250-260
13
270-295
250-275
14
275-290
250-265
15
265-290
250-270
16
265-290
240-275
17
280-295
250-275
18
270-290
250-260
19
270-290
250-275
20
280-300
250-260
21
270-295
250-270
22
275-290
240-275
23
270-290
250-275
24
280-300
250-260
25
270-295
250-275
26
275-290
245-270
27
265-290
250-260
28
265-290
250-265
29
265-290
250-260
30
270-290
250-265
31
270-290
250-275
32
280-300
250-265
33
265-290
250-270
34
275-290
240-275
35
270-290
250-275
36
265-290
250-265
37
270-295
250-275
38
280-295
245-270
39
265-290
250-260
40
265-290
245-270
2
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/м. Полученные результаты представлены в таблице 3.
Табл.3
№ группы образцов
Циклическая жаростойкость, цикл.
Изотермическая жаростойкость,
τ, ч
ΔР, г/м<sup>2</sup>
500 ч
1000 ч
1
2
3
4
5
0
550
350
5,5
9,8
1
950
700
6,3
10,7
2
750
800
4,9
8,8
3
900
650
6.1
10,2
4
950
750
4,8
8,9
5
900
700
6,8
10,6
6
900
850
5,6
9,9
7
950
650
6,6
10,5
8
900
600
5,2
9,1
9
850
700
6,4
10,5
10
900
700
4,8
8,7
11
950
800
4,7
8,6
12
800
650
5,5
9,2
13
750
600
5,8
10,1
14
850
800
4,6
9,7
15
850
650
4,8
9,9
16
900
600
4,4
9,7
17
950
700
4,8
9,9
18
850
650
4,4
8,6
19
900
600
5,4
9,1
20
900
800
5,4
9,7
21
750
600
5,8
10,1
22
850
800
5,5
9,2
23
900
650
5,4
9,7
24
950
600
5.8
10,1
25
800
700
4,5
9,7
26
900
700
4,2
8,6
27
750
800
5,5
9.2
28
850
650
5,5
10,1
29
750
800
4,3
9,5
30
900
650
4,4
8,6
31
900
600
5,5
9,6
32
750
800
5,2
9,3
33
750
600
5,9
10,6
34
850
800
5.3
9,5
35
900
650
5,4
9,7
36
900
650
5,6
10,2
37
950
800
4,6
9,8
38
750
800
4,1
8,2
39
750
800
5,2
9.5
40
900
650
5,8
10,1
10
20
2
-3
-3
-4
2
3
2
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: размещение лопаток в вакуумной камере установки; подготовка поверхности лопатки под нанесение покрытия и вакуумно-плазменное нанесение жаростойкого покрытия; нанесение жаростойкого слоя покрытия проводят при подаче в вакуумную камеру установки бора, или смеси бора с азотом или смеси бора с углеродом, концентрацией, достаточной для образования в формируемом слое соответственно боридов или их комплексных соединений с металлами, обеспечивающих торможение диффузионных процессов в покрытии при эксплуатации лопатки; в качестве материала жаростойкого покрытия используют один из сплавов состава: Si 4,0-4, 5%; Y 1,6-2,0%; Al - остальное, или Si от 5,5-12, 0%; Y от 1,0-2,0%; Al - остальное, или Si 4,0-12,0%; Y 1,6-2,0%; Al - остальное, нанесение жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, N, C,B, W, V, Ti, Zr, которую каждый раз проводят до образования микро- или нанослоя, обеспечивая разделение всего жаростойкого слоя на микро- или нанослои, образованные как в результате имплантации ионов, так и в результате нанесения материала жаростойкого покрытия без импланатции ионов; подготовка поверхности лопатки под нанесение покрытия ионно-плазменным методом с последующей ионно-имплантационной обработкой ионами одного или нескольких элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si; дополнительное нанесение перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой одного или нескольких металлов Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; чередование нанесения жаростойкого слоя с периодической имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, V, W, Cr, Ti, Zr, обеспечивающих формирование их интерметаллидов и/или карбидов; 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 или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; проведение ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10ион/см; проведение, после нанесения покрытия его диффузионного отжига в вакууме не хуже 10 мм рт.ст. в течение от 2 до 5 часов, при температуре от 950°С до 1050°С; нанесение после нанесения жаростойкого слоя, газотермическим или ионно-плазменным или магнетронным или электронно-лучевым методом керамического слоя толщиной от 20 до 300 мкм состава YO - 5…9% вес, ZrO - остальное; отжиг при температуре 1000-1050°С в течении от 2 до 5 часов в вакууме от 10 до 10 мм рт.ст. лопатки с нанесенными слоями; нанесение, перед нанесением керамического слоя на поверхность жаростойкого слоя, слоя одного или нескольких металлов Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм - позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышения жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости, циклической прочности и жаропрочности деталей с защитными покрытиями. Повышение жаропрочности покрытий и деталей с покрытиями связано, в частности, с применением методов пассивного и активного методов насыщения покрытия легирующими компонентами, формированием мультислойной структуры покрытия и образованием в покрытии нитридов, карбидов, боридов, металлов, а также их комплексных соединений с металлами.