СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
PROCEDURE FOR APPLICATION OF COATING

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения жаростойких алюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты от высокотемпературного окисления внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля.
Известен способ нанесения покрытия на поверхность внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава для защиты от высокотемпературного окисления, включающий подготовку порошковой смеси следующего состава: 5-15% смесь порошков алюминия 56% и хрома 44% и 85-95% оксид алюминия, заполнение внутренней полости лопатки порошковой смесью, нагрев по режиму насыщения 955-1093°С и выдержку лопатки при температуре формирования на поверхности лопатки диффузионного алюминидного покрытия в течение 2-12 часов, удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки (патент США № 7094445).
Указанный способ позволяет получать на поверхности внутренней полости лопатки диффузионный алюминидный слой, обеспечивающий длительную защиту этой поверхности лопаток из жаропрочных сплавов (ЖС) с карбидным упрочнением.
Однако известный способ нанесения диффузионного алюминидного покрытия на поверхность внутренней полости лопатки имеет низкую технологичность, так как для получения алюминидного покрытия на поверхности внутренней полости лопатки используют смесь с низким содержанием алюминия (2,2-8,4%) без активатора, что приводит к существенному увеличению времени процесса (до 12 ч) при более высоких температурах.
Известен также способ защиты от высокотемпературного окисления внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава, включающий подготовку поверхности внутренней полости лопатки под покрытие, подготовку порошковой смеси, нагрев порошковой смеси и лопатки до температуры обработки и выдержку при этой температуре и принудительную циркуляцию газовой среды от источника насыщающего элемента из порошковой смеси к наружным и внутренним поверхностям деталей с периодическим изменением скорости потока (Авторское свидетельство СССР № 1238597).
Способ позволяет сформировать на внутренней и на внешней поверхности лопатки диффузионный алюминидный слой (алюминидное покрытие), обеспечивающий защиту лопатки из жаропрочного сплава на никелевой основе (ЖС) с карбидным упрочнением.
Известные способы имеют общий недостаток - их нельзя использовать для защиты внутренней полости лопаток, выполненных из современных безуглеродистых ЖС. Сформированный на этих сплавах диффузионный слой не имеет переходной зоны, состоящей преимущественно из карбидов тугоплавких элементов сплава. Переходная зона диффузионного алюминидного покрытия образуется на углеродосодержащих ЖС. Отсутствие переходной зоны у диффузионного покрытия, препятствующей диффузии алюминия из покрытия в ЖС, в процессе работы лопатки приводит к быстрому снижению концентрации легирующих элементов в покрытии за счет их диффузии в поверхностный слой материала лопатки. При этом из-за диффузии в поверхностном слое материала лопатки на большую глубину (намного больше толщины покрытия) образуется зона, состоящая из хрупких, топологически плотно упакованных фаз (ТПУ-фаз), которые снижают прочностные характеристики безуглеродистого ЖС (длительную жаропрочность, предел усталости, термостойкость). Одновременно с этим, вследствие диффузии легирующих элементов покрытия в ЖС, резко снижается жаростойкость покрытия.
3
4
Таким образом, использование известных способов для защиты поверхности внутренней полости лопаток турбин из современных безуглеродистых ЖС путем их порошкового или газоциркуляционного алитирования не обеспечивает требуемый ресурс покрытия и может быть использовано только при очень ограниченном времени работы лопатки (не более 100 ч). Отметим, что ресурс современных лопаток турбины составляет (10-10) ч и более.
2
2
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий насыщение поверхности внутренней полости лопатки углеродом со степенью насыщения от 1,5 до 8 г/м путем заполнения внутренней полости лопатки порошковой смесью или газовой средой, нагрева и выдержки лопатки с заполненной внутренней полостью и последующее нанесение диффузионного алюминидного покрытия со степенью насыщения от 15 до 60 г/м (патент РФ № 2349678).
Способ позволяет наносить на поверхность внутренней полости лопатки диффузионный алюминидный слой (покрытие) с переходной диффузионной зоной, обеспечивающие защиту внутренней полости лопатки из безуглеродистого жаропрочного сплава (БЖС) от высокотемпературного окисления. Однако способ является трудоемким и не обеспечивает достаточную долговечность лопаток ГТД нового поколения.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа нанесения покрытия, преимущественно для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля, обеспечивающего повышение показателя многоцикловой усталости и снижение трудоемкости процесса при сохранении высокого качества покрытия и стабильности процесса.
4
Это достигается тем, что предложен способ нанесения покрытия, преимущественно для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий насыщение поверхности внутренней полости лопатки углеродом путем заполнения внутренней полости лопатки порошковой смесью или газовой средой, нагрев и выдержка лопатки с заполненной внутренней полостью и последующее нанесение диффузионного алюминидного покрытия, в котором нанесение диффузионного алюминидного покрытия проводят из порошковой смеси, содержащей ферроалюминий фракцией 3-63 мкм, электрокорунд фракцией 40-80 мкм и активатор NHCl фракцией до 250 мкм следующего состава (% по массе):
Порошок ферроалюминия
58-68
Порошок электрокорунда
31-41
Порошок NH<sub>4</sub>Cl
1-2
при температуре 900-950°С в течение 1-1,5 ч, после чего проводят удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки и вакуумный отжиг лопатки при рабочей температуре внутренней полости лопатки.
Вакуумный отжиг лопаток проводят в течение 3-6 ч при температуре 1000-1050°С, давлении 0,1-0,01 Па и скорости нагрева 5-20°С/мин.
Использование предлагаемой порошковой смеси при выбранном режиме термодиффузионного насыщения предварительно науглероженной поверхности внутренней полости лопатки обеспечивает формирование на поверхности диффузионного слоя с переходной карбидной зоной между материалом лопатки и внешним слоем покрытия на основе фазы NiAl (β-фаза), легированной тугоплавкими элементами из материала лопатки с содержанием алюминия 20-22% по массе, при сжимающих остаточных напряжениях на уровне (0,6-0,9) ГПа. Наличие остаточных напряжений сжатия в диффузионном слое обеспечивает повышение многоцикловой усталостной прочности композиции БЖС - термодиффузионное покрытие, что приводит к повышению показателя многоцикловой усталости. С другой стороны использование порошковой смеси с повышенным содержанием алюминия позволяет использовать порошковую смесь многократно, что в совокупности со снижением времени и температуры процесса насыщения поверхности алюминием обеспечивает снижение трудоемкости процесса при сохранении высокого качества покрытия и стабильности процесса.
Выбор фракции порошка 3-63 мкм для ферроалюминия с содержанием алюминия 50-60%, 40-80 мкм для электрокорунда и до 250 мкм для активатора обеспечивает легкое заполнение внутренней полости лопатки, а также легкое удаление этой смеси из полости лопатки высыпанием, и высокую стабильность процесса алитирования.
Вакуумный отжиг лопаток с покрытием проводят для окончательного формирования исходной структуры покрытия и снятия внутренних напряжений в покрытии. Проведение вакуумного отжига при нагреве со скоростью 5-20°С /мин до температуры 1000-1050°С и выдержка при этой температуре в течение 3-6 ч обеспечивает снятие внутренних напряжений в покрытии и устраняет возможность образования в покрытии термических трещин, не допустимых для лопаток турбин, повышая показатель многоцикловой усталости. Проведение вакуумного отжига при рабочей температуре внутренней полости лопатки обеспечивает минимальное время отжига, что также снижает трудоемкость процесса нанесения покрытия.
Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет создать комплексное жаростойкое покрытие для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости монокристальной лопатки турбины, изготовленной из современного БЖС, позволяет повысить показатель многоцикловой усталости, снизить трудоемкость процесса при сохранении высокого качества покрытия и стабильности процесса.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами
Пример 1. Подготовку поверхности внутренней полости лопатки и поверхности контрольных образцов из безуглеродистого сплава ЖС36 проводили путем гидроабразивной обработки поверхности водной суспензией, содержащей электрокорунд, промывали внутреннюю полость водой под давлением до полного удаления электрокорунда и проводили сушку. Таким образом, была подготовлена партия лопаток и образцов из сплава ЖС36. Одновременно с этим провели подготовку исходных материалов для насыщения поверхности внутренней полости лопатки углеродом и алюминием.
4
Для этого проводили сушку порошка углерода при температуре 120°С в течение 1 ч. Затем заполняли этим порошком внутреннюю полость лопатки через отверстия для подачи в лопатку охлаждающего воздуха и закрывали эти отверстия асбестовым шнуром, а отверстия перфорации и выходные щели лопаток закрывали никелевой фольгой. Затем лопатки укладывали в контейнер и проводили процесс насыщения при температуре 1000°С и течение времени, необходимом для получения заданного привеса. Затем удаляли из внутренней полости лопаток порошок, продували внутреннюю полость лопатки чистым сжатым воздухом, промывали в теплой воде, сушили и определяли степень насыщения поверхности углеродом на контрольном образце из сплава ЖС36. Затем проводили подготовку поверхности внутренней полости лопаток для осуществления процесса алитирования, которая включала промывку внутренней полости нефрасом, далее ацетоном и сушку лопаток. Одновременно проводили подготовку рабочей смеси для алитирования. Для этого компоненты рабочей смеси смешивали в смесители в течение 1 ч в следующих пропорциях: 68% порошка ферроалюминия (50%Al 50%Fe) фракцией до 63 мкм, 30% электрокорунда фракции 80 мкм и 2% активатора (NHCl) фракцией до 250 мкм. После этого проводили прокалку смеси по режиму алитирования.
Затем заполняли смесью внутреннюю полость лопаток и закрывали никелевой фольгой отверстия и щели на лопатках. Затем лопатки укладывали в контейнер и проводили процесс насыщения при температурах 900°С в течение 1,5 ч, при 950°С в течение 1 и 1,5 ч. Затем контейнер охлаждали, удаляли из внутренней полости лопаток смесь, продували внутреннюю полость лопатки чистым сжатым воздухом, промывали в теплой воде, в ультразвуковой ванне, сушили и проводили контроль процесса по степени насыщения поверхности алюминием на контрольном образце из сплава ЖС36.
Затем проводили вакуумный отжиг лопаток при давлении 0,1-0,01 Па, по режиму: нагрев со скоростью 20°С/мин до 1000°С и выдержке при этой температуре 6 ч.
Во всех случаях на поверхности внутренней полости лопаток из безуглеродистого сплава ЖС36 были получены алюминидные покрытия с характерной двухзонной структурой, состоящей из переходного слоя на основе NiAl и карбидов тугоплавких элементов сплава ЖС36 и внешнего слоя на основе моноалюминида никеля с содержанием алюминия до 22% по массе.
Пример 2
4
Пример 2 отличается от примера 1 тем, что в качестве смеси для алитирования использовали смесь следующего состава: 63% порошка ферроалюминия (55%Al 45%Fe) фракцией 3 мкм, 35,5% электрокорунда фракцией 60 мкм и 1,5% активатора (NHCl) фракцией до 250 мкм, а также тем, что вакуумный отжиг проводили при температуре 1025°С со скоростью нагрева 12,5°С /мин и времени 4,5 ч.
Пример 3
4
Пример 3 отличается от примера 1 тем, что в качестве смеси для алитирования использовали смесь следующего состава: 58% порошка ферроалюминия (60%Al 40%Fe) фракцией 63 мкм, 41% электрокорунда фракцией 40 мкм и 1% активатора (NHCl) фракцией 250 мкм, а также тем, что вакуумный отжиг проводили при температуре 1050°С со скоростью нагрева 5°С/мин и времени 3 ч.
Были проведены металлографические и микрорентгеноспектральные исследования микрошлифов покрытий после испытаний на жаростойкость при температуре 1000°С, 1000 ч. Исследования показали, что после длительной выдержки на поверхности сплава, примыкающего к покрытию ТПУ-фазы не образуются, что свидетельствует о минимальной диффузии алюминия из покрытия в сплав и эффективности такого способа защиты внутренней полости лопаток из безуглеродистых ЖС от высокотемпературного окисления.
2
Также было установлено, что после испытаний на жаростойкость при температуре 1000°С в течение 1000 ч в покрытии оставался достаточный для обеспечения ресурса 3000 ч запас алюминия (соответственно 16-18% по массе). Удельный привес образцов после испытания на жаростойкость составил (1,9-2,5) г/м.
Были проведены сравнительные испытания многоцикловой усталости образцов из БЖС с покрытием по предлагаемому способу, по способу прототипа и образцов без покрытия. Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
№
Вид обработки поверхности (степень насыщения поверхности г/м<sup>2</sup>)
Долговечность, (циклы) при σ<sub>-1</sub>=30 кг/мм<sup>2</sup> Т=20°С
Трудоемкость чел./ч
1
Исходное состояние (без покрытия)
2 688 000; 3 315 200
-
2
ЖС с покрытием по предлагаемому способу
7 698 000; 9 626 000
12
3
ЖС с покрытием по способу прототипа
560 000; 1 000 020
26
На основании результатов испытаний многоцикловой усталости образцов можно заключить, что жаростойкое покрытие повышает усталостную прочность композиции сплав ЖС36-покрытие и имеет меньшую трудоемкость получения по сравнению с прототипом.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает длительную защиту поверхности внутренней полости лопаток турбины из жаропрочного безуглеродистого никелевого сплава и может найти применение при использовании в ГТД нового поколения с повышенной нагруженностью и ресурсом работы.