ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК
COVERING FOR TURBINE BLADES

Настоящее изобретение относится к покрытиям для турбинных лопаток и, в частности, к одновременной обработке внешней и внутренней поверхностей турбинных лопаток.
В настоящее время условия работы современной промышленной газовой турбины чрезвычайно агрессивны по отношению к никелевым и кобальтовым сплавам, обычно используемым в горячем отделении двигателя. Таким образом, указанные сплавы на таком участке турбины быстро подвергаются действию атмосферы, что приводит к их разрушению и преждевременной замене. Металлы, добавляемые к никелевому или кобальтовому сплаву для повышения сопротивления сплава к воздействию коррозионных и окисляющих сред, не могут быть добавлены в достаточных концентрациях, поскольку такие концентрации приводят к ухудшению механических свойств сплава. Именно по этой причине были разработаны защитные покрытия, придающие, таким образом, необходимые свойства поверхностям деталей, не ухудшая при этом механических свойств основного материала.
В настоящее время технические решения, разработанные для поверхностей промышленных газовых турбин, чрезвычайно разнообразны, и для индивидуальных турбинных лопаток могут быть применены различные системы покрытий.
Химически агрессивная среда внутри наземных газовых турбин, вырабатывающих электроэнергию, может приводить к коррозии, включающей действие сульфатов щелочных металлов и переходных металлов при температурах от 600 до 800°С (коррозия II типа), включающей действие расплавленных сульфатов при температурах от 750 до 950°С (коррозия I типа) и газовое окисление при более высоких температурах. Защита основных материалов в таких условиях затруднена и требует применения антикоррозионных покрытий. Для различных коррозионных сред следует использовать различные композиции покрытий; обычно для защиты от коррозионных атак II типа используют элемент, образующий оксид хрома (например, хромидное диффузионное покрытие), и для защиты от коррозионных атак I типа и высокотемпературного воздействия используют элемент, образующий оксид алюминия (например, алюминидное диффузионное покрытие).
В данной области техники для защиты турбинных лопаток от высокотемпературного окисления и коррозии обычно применяют алюминидные покрытия. В настоящее время общепринятым мнением также считается, что обогащение поверхностного слоя алюминием обеспечивает удовлетворительную защиту от сульфидирования 1 типа. Это происходит из-за образования пленки оксида алюминия, которая создает эффективный барьер проникновению коррозионных элементов, таких как сера и кислород. Как было показано, при высоких температурах и при наличии сульфидирования 1 типа хром нельзя использовать, поскольку оксидная пленка, образованная хромом при этих температурах, создает значительное паровое давление. Это означает, что пленка эффективно испаряется с поверхности, в результате чего защита разрушается. Это представляет собой типичный пример ситуации, наблюдаемой на внешней поверхности лопаток газовых турбин.
При повышенных температурах турбинные лопатки нужно охлаждать. Охлаждение может быть произведено пропусканием сжатого воздуха, который, кроме кислорода, может содержать серу, через охлаждающие каналы в турбинных лопатках. Соответственно, температура металлических поверхностей на этих внутренних участках ниже, чем температуры внешних поверхностей. При этих температурах и при сульфидировании II типа пленка алюминия образуется плохо и, следовательно, алюминий не обеспечивает достаточной защиты от коррозионной атаки этого типа. Однако при этой температуре быстро образуется физически устойчивая пленка оксида хрома, которая, таким образом, обеспечивает достаточную защиту от коррозионной атаки этого типа.
Таким образом, предпочтительная система для нанесения покрытия на турбинные лопатки, на внутренних поверхностях которых происходит сульфидирование II типа, а на внешних поверхностях - сульфидирование I типа, представляет собой алюминиевое покрытие на внешних поверхностях и хромовое покрытие на внутренних поверхностях.
Лопасти турбин изготовлены из того же материала, что и турбинные лопатки, и также могут быть снабжены охлаждающими каналами. Таким образом, они подвергаются тем же воздействиям, что и лопатки.
В промышленности обычным способом нанесения таких защитных покрытий на промышленные газовые турбины является нанесение покрытий химическим осаждением из паровой фазы (также называемых «диффузионные покрытия»). Обычно такие покрытия наносят на защищаемую поверхность введением этой поверхности в контакт с атмосферой, обогащенной металлом, осаждаемым на этой поверхности. Частицы металла обычно находятся в виде летучих галогенидов. Такое осаждение обычно происходит при повышенных температурах (т.е. выше 800°С) и в присутствии восстанавливающей среды, такой как водород.
Диффузионные покрытия из хрома и алюминия наносят при помощи двух отдельных операций. Однако некоторые недостатки мешают этому подходу стать жизнеспособным промышленным способом. Например, проведение двух последовательных операций повышает стоимость защиты турбинной лопатки, значительно увеличивает время осуществления способа, и, кроме того, проведение второй операции влияет на результат нанесения первого покрытия.
Соответственно, настоящим изобретением предоставлен способ нанесения покрытий из алюминия и хрома, соответственно, на внешнюю и внутреннюю поверхности турбинной лопатки или лопасти, осуществляемый по существу одновременно и включающий следующие операции (i) и (ii), выполняемые в любом порядке: (i) нанесение на внешнюю поверхность алюминирующей композиции, включающей алюминий, замедлитель, активизатор и разбавитель, (ii) нанесение на внутреннюю поверхность хромирующей композиции, включающей хром, активизатор и разбавитель, с последующим (iii) нагреванием турбинной лопатки или лопасти с образованием алюминиевого слоя на внешней поверхности и хромового слоя на внутренней поверхности.
Одновременное нанесение защитных покрытий из хрома и алюминия обладает определенными коммерческими и техническими преимуществами.
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылками на сопроводительный чертеж, на котором схематично изображена турбинная лопатка с нанесенными с внутренней стороны охлаждающими каналами, пригодная для осуществления способа, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением.
Из чертежа видно, что на область А (внешняя поверхность) следует нанести алюминиевое диффузионное покрытие, а на область В (внутренняя поверхность) следует нанести хромовое диффузионное покрытие. Заявитель обнаружил, что при внесении изменений как в состав алюминирующей композиции, так и в состав хромирующей композиции, оба покрытия могут быть нанесены по существу одновременно.
Внешнее алюминиевое диффузионное покрытие наносят, полностью погружая всю лопатку или лопасть в алюминирующую композицию (или «массу»). Алюминирующая композиция включает порошок металлического алюминия, замедлитель, керамический разбавитель и активизатор.
Для проведения алюминирования галогенид алюминия получают in situ. Соответственно, алюминирующая композиция содержит количество алюминия, достаточное для получения галогенида алюминия, который необходим для нанесения покрытия на всю внешнюю поверхность лопатки или лопасти. Содержание алюминия предпочтительно составляет 3-20 мас.% от общей массы алюминирующей композиции.
Для поглощения паров галогенида алюминия, получаемых in situ, с целью обеспечения пониженного парового давления паров галогенида алюминия на поверхности лопатки или лопасти, что способствует диффузии алюминия внутрь поверхности сплава вместо отложения слоя алюминия на поверхности сплава, необходим замедлитель, который обычно представляет собой порошок металла, такого как хром, никель или железо. Количество замедлителя должно быть достаточным для создания диффузии, а не для осаждения. Однако так как диффузия регулируется температурой, по мере повышения температуры диффузия также усиливается и поэтому требуется меньшее количество замедлителя. Кроме того, в алюминирующей композиции, предлагаемой в соответствии с настоящим изобретением, применяют большее, чем обычно количество замедлителя, так что алюминирование может протекать в тех же условиях, что и хромирование. Предпочтительно замедлитель присутствует в концентрациях 10-50 мас.% от общего массового количества алюминирующей массы. Отношение количества алюминия к количеству замедлителя обычно составляет от 1:2 до 1:5, предпочтительно от 1:2,5 до 1:3,5, более предпочтительно 1:2,5.
Активизатор, применяемый в процессе алюминирования, обычно содержит галогенид, такой как бромид, хлорид или фторид. Предпочтительными являются галогениды щелочных металлов, например, натрия и аммония; особенно предпочтительным является хлорид аммония. Активизатор обычно присутствует в количествах 0,1-2 мас.%, предпочтительно 0,5 мас.% от общего массового количества алюминирующей массы.
2
3
2
2
3
Разбавитель обычно представляет собой порошок огнеупорного оксида, составляющий дополнение до 100% в алюминирующей массе. Разбавитель предпочтительно представляет собой AlO (оксид алюминия), TiO (оксид титана), MgO или CrO. Наиболее предпочтительным огнеупорным разбавителем является прокаленный оксид алюминия. Содержание разбавителя должно быть достаточным для придания алюминирующей массе свободной текучести и обычно составляет по меньшей мере 20 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 25 мас.% от общего массового количества алюминирующей массы.
Алюминирующая композиция присутствует в количестве, достаточном для получения достаточного толстого покрытия из алюминия. Достаточно толстое покрытие обычно имеет толщину от 60 до 100 мкм. Концентрация алюминия на поверхности лопатки или лопасти обычно составляет от 25 до 45 мас.%, при этом остаток составляет основной сплав.
Указанная алюминирующая композиция не известна в данной области техники и, следовательно, в соответствии с настоящим изобретением также предложена алюминирующая композиция, включающая 3-20 мас.% алюминия, 10-50 мас.% замедлителя, 0,1-2 мас.% активизатора и по меньшей мере 20 мас.% разбавителя, причем отношение масс алюминия и замедлителя составляет от 1:2 до 1:5.
Если потребуется, перед алюминированием внешняя поверхность турбинной лопатки или лопасти может быть предварительно обработана, например, распылением дополнительного покрытия.
Внутреннюю поверхность хромируют по существу в то же самое время, что и внешнюю поверхность, также загружая хромирующую композицию во внутренние охлаждающие каналы. По существу в то же самое время означает, что алюминирующую композицию и хромирующую композицию наносят на турбинную лопатку или лопасть, а затем во время последующей диффузионной тепловой обработки формируют оба покрытия.
Хромирующая композиция включает порошок металлического хрома, керамический разбавитель и активизатор.
Для проведения хромирования галогенид хрома также получают in situ. Соответственно, хромирующая композиция содержит количество хрома, достаточное для получения галогенида хрома, который необходим для нанесения покрытия на всю внутреннюю поверхность лопатки или лопасти, т.е. на охлаждающие каналы. Содержание хрома предпочтительно составляет 15-65 мас.% от общей массы хромирующей композиции.
Активизатор, применяемый в процессе хромирования, обычно содержит галогенид, такой как иодид, бромид, хлорид или фторид. Предпочтительными являются галогениды щелочных металлов, например натрия и аммония, особенно предпочтительным является хлорид аммония. Активизатор обычно присутствует в количествах 0,1-5 мас.%, предпочтительно 1 мас.% от общей массы хромирующей композиции.
2
3
2
2
3
Разбавитель обычно представляет собой порошок огнеупорного оксида, составляющий дополнение до 100% в хромирующей массе. Разбавитель предпочтительно представляет собой AlO (оксид алюминия), TiO (оксид титана), MgO или СrO. Наиболее предпочтительным огнеупорным разбавителем является прокаленный оксид алюминия. Содержание разбавителя должно быть достаточным для придания хромирующей массе свободной текучести, и обычно составляет по меньшей мере 20 мас.%, предпочтительно по меньшей мере 25 мас.% от общего массового количества хромирующей массы.
Частицы хромирующей композиции должны иметь достаточно малый размер для того, чтобы достаточное количество хромирующей композиции достигло внутренних поверхностей, т.е. достигло охлаждающих отверстий, и таким образом, создавало там относительно толстое покрытие из хрома. Толщина достаточно толстого хромового покрытия обычно составляет от 10 до 60, предпочтительно от 10 до 50, наиболее предпочтительно от 10 до 20 мкм. Концентрация хрома на поверхности охлаждающего отверстия обычно составляет от 30 до 60 мас.%, при этом остаток составляет основной сплав. Размер частиц хромирующей композиции предпочтительно соответствует размеру ячеек 200 мкм или менее, предпочтительно 100 мкм или менее, наиболее предпочтительно 75 мкм или менее. Для этого может быть использовано любое минимальное значение (за исключением нуля); однако, при уменьшении размера частиц масса становится более дорогостоящей, что сильно снижает выгоду от уменьшения размеров частиц.
Указанная хромирующая композиция не известна в данной области техники, и, следовательно, в соответствии с настоящим изобретением также предложена хромирующая композиция, включающая 15-65 мас.% хрома, 0,1-5 мас.% активизатора и по меньшей мере 20 мас.% разбавителя, причем размер частиц хромирующей композиции таков, что хромирующая композиция способна проходить через ячейки размером 200 мкм или менее.
При проведении по существу одновременных процессов алюминирования и хромирования, алюминирующая и хромирующая композиции должны быть защищены от воздействия атмосферного кислорода. Такая защита может включать инертную атмосферу, которая может быть создана присутствующими в композициях аммонийными солями, которые при повышенных температурах разлагаются, выделяя водород. В альтернативном случае или, кроме того, защита может быть обеспечена за счет восстанавливающей среды, такой как водород или газовая смесь, содержащая водород, например 5% водорода в аргоне.
Реторту, содержащую различные композиции покрытий и турбинную лопатку или лопасть, помещают в печь, в которой создана инертная или восстанавливающая атмосфера, обычно состоящая из 5% водорода в аргоне или из чистого водорода. Затем находящуюся в печи турбинную лопатку или лопасть нагревают в вышеуказанной защитной атмосфере до температуры от 850 до 1150°С, предпочтительно от 900 до 1100°С, более предпочтительно от 1000 до 1050°С, в течение от 1 до 24 часов, предпочтительно от 2 до 10 часов. После проведения такого цикла обработки детали оставляют охлаждаться до обычной температуры в той же защитной атмосфере. Лопатку или лопасть затем вынимают из алюминирующей композиции, и при помощи осторожного постукивания или вибрации удаляют хромирующую композицию. После удаления избытка композиций, составляющих покрытия, с поверхности лопатки, ее желательно подвергнуть тепловой обработке для достижения требуемых механических свойств основного материала.
Пример
В охлаждающие отверстия турбинной лопатки загружают хромирующую композицию, содержащую 30 мас.% порошка металлического хрома, 69 мас.% прокаленного оксида алюминия и 1 мас.% хлорида аммония. Затем лопатку погружают в алюминирующую композицию, содержащую 18 мас.% порошка металлического алюминия, 45 мас.% порошка металлического хрома и 0,5 мас.% хлорида аммония, при этом дополнение до 100% составляет прокаленный оксид алюминия. Реторту, содержащую различные композиции покрытий и турбинную лопатку, помещают в печь в восстанавливающую атмосферу, состоящую из 5% водорода и аргона. Турбинную лопатку, находящуюся в печи, затем нагревают до температуры 1040°С в течение 6 часов в вышеуказанной защитной атмосфере. После проведения такого цикла обработки турбинную лопатку оставляют охлаждаться до обычной температуры в той же защитной атмосфере. Лопатку затем вынимают из алюминирующей композиции и путем осторожного постукивания удаляют хромирующую композицию. После удаления избытка составляющих покрытия композиций с поверхности лопатки, лопатку подвергают тепловой обработке для достижения требуемых механических свойств основного материала.
Внутренние поверхности полученной лопатки покрыты хромом, толщина слоя которого достаточна, чтобы противостоять коррозии II типа, а ее внешние поверхности покрыты алюминием, толщина слоя которого достаточна, чтобы противостоять коррозии I типа.