СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
PROCEDURE FOR MANUFACTURE OF HEAT RESISTANT COATING ON BLADES OF TURBINES OF GAS-TURBINE ENGINES AND POWER INSTALLATIONS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения жаростойких покрытий 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., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. Екатеринбург: Изд-во «Квист», 2008. - 208 с.]. 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].
Известны также способы защиты лопаток газовых турбин алитированием поверхности пера с предварительным нанесением слоя из никелевых сплавов или металлов платиновой группы [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.
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.
2
Наиболее близким по технической сущности является способ получения жаростойкого покрытия, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий подготовку поверхности лопатки, формирование внутреннего жаростойкого слоя и нанесение на него внешнего жаростойкого слоя [8. 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.
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.
-3
Технический результат достигается тем, что в способе получения жаростойкого покрытия на лопатках турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающем ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки, вакуумно-плазменное нанесение на лопатку жаростойкого слоя и последующую термообработку покрытия в отличие от прототипа, ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами по крайней мере одного из элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, а в качестве материала для жаростойкого слоя используют сплав состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, причем нанесение жаростойкого слоя проводят в среде азота в вакууме не хуже 10 мм рт.ст., жаростойкий слой наносят при периодической имплантации ионами по крайней мере одного из элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, с получением жаростойких микро- и нанослоев, разделенных имплантированными микро- и нанослоями.
Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, причем толщина жаростойкого слоя может составлять от 10 мкм до 70 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое - от 3 до 1500.
10
20
2
-3
Технический результат достигается также тем, что в способе получения жаростойкого покрытия нанесение дополнительных слоев покрытия может быть осуществлено вакуумными ионно-плазменными методами, а ионная имплантация проведена при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, причем после нанесения покрытия может быть проведен 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 после нанесения жаростойкого слоя газотермическим и/или ионно-плазменным 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 течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10 до 10 мм рт.ст., а перед нанесением керамического слоя на поверхность жаростойкого слоя может быть нанесен слой по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.
Для оценки стойкости лопаток газовых турбин, с жаростойкими покрытиями, полученными по известному 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% Y - 1,0% Al - ост.
Nb, толщ. 0,1 мкм
Nb, толщ. 0,1 мкм
2
Yb
Y+Cr
3
Yb+Nb
Y+Cr
Pt, толщ. 0,1 мкм
4
Pt
Nb
5
Y
Nb
Si - 12,0% Y - 2,0% Al - ост.
Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
Nb, толщ. 2,0 мкм
6
Y+Pt
Yb
7
Y+Cr
Yb
Nb, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 0,1 мкм
8
Y+Cr
Pt
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.
Cr, 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
10
20
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (N, Pd, Ag или их его сочетанием, а также их сочетанием с ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si,) 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).
-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 270-290 МПа, кобальтовые - 260-275МПа (таблица 2);
Табл.2
№ группы образцов
Никелевые сплавы, МПа
Кобальтовые сплавы, МПа
1
2
3
1
270-290
250-260
2
265-290
250-265
3
265-290
250-270
4
270-300
250-260
5
280-295
250-275
6
275-290
245-270
7
260-290
250-275
8
270-290
250-265
9
280-295
250-260
10
275-290
250-280
11
275-290
245-275
12
280-300
250-260
13
270-295
250-275
14
275-290
250-265
15
265-290
250-270
16
270-290
240-275
17
280-295
250-275
18
270-280
250-260
19
270-290
250-275
20
280-300
250-260
21
270-295
250-275
22
275-290
250-265
23
270-290
250-270
24
280-300
240-275
25
280-295
250-275
26
270-290
245-270
27
270-290
250-275
28
280-300
240-255
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
Циклическая
Изотермическая жаростойкость,
образцов
жаростойкость,
τ, ч
ΔР, г/м<sup>2</sup>
цикл.
500 ч
1000 ч
1
2
3
4
5
0
550
350
7,3
13,0
1
850
650
6,3
10,6
2
900
600
5,6
9,7
3
950
700
6,1
10,0
4
900
750
4,4
8,9
5
850
700
5,9
9,1
6
900
850
3,6
7,9
7
950
850
6,6
10,8
8
700
650
5,2
9,1
9
850
600
6,3
10,5
10
900
700
4,8
8,7
11
950
800
4,2
8,6
12
750
650
5,5
9,2
13
750
600
5,8
10,1
14
850
800
4,4
9,7
15
900
650
4,8
9,9
16
950
600
4,1
8,6
17
800
700
5,2
8,7
18
850
650
5,7
8,9
19
900
600
5,2
9,1
20
900
800
5,4
9,7
21
750
600
5,8
10,1
22
850
800
4,4
9,7
23
900
650
4,8
9,9
24
950
600
4,1
8,6
25
800
700
5,2
8,7
26
850
600
6,6
10,8
27
900
700
4,9
8,9
28
950
800
4,5
8,7
-3
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: ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки; вакуумно-плазменное нанесение жаростойкого слоя и последующая термообработка покрытия; ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки ионами по крайней мере одного из элементов N, Pd, Ag, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, использование в качестве материала для нанесения жаростойкого слоя сплава состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное; нанесение жаростойкого слоя в среде азота в вакууме не хуже 10 мм рт.ст.; нанесение жаростойкого слоя при периодической имплантации ионами по крайней мере одного из элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Pd, Ag, с получением жаростойких микро- и нанослоев, разделенных имплантированными микро- и нанослоями; перед нанесением жаростойкого слоя дополнительное нанесение на поверхность лопатки слоя по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; 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; 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 газотермическим и/или ионно-плазменным методом, после нанесения жаростойкого слоя, керамического слоя толщиной от 20 до 300 мкм состава YO - 5…9% вес, ZrO - остальное, с последующим отжигом лопатки с нанесенными слоями при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10до 10 мм рт.ст.; нанесение слоя по крайней мере из одного металла Nb, Pt, Pd, Ag, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, на поверхность жаростойкого слоя перед нанесением керамического слоя - позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышения жаростойкости покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.