СПОСОБ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛОПАТОК ДВИГАТЕЛЕЙ И ТУРБИН
METHOD FOR ANTI-CORROSION PROTECTION OF ENGINE BLADE AND TURBINE

Изобретение относится к области авиадвигателестроения и может использоваться для защиты лопаток двигателей и турбин от высокотемпературной оксидно-сульфидной и газовой коррозии.
2
2
2
2
3
2
3
2
Известен способ нанесения покрытий на лопатки турбины ГТД (патент RU №2479669), включающий ионно-имплантационную обработку ионами одного из следующих элементов N, Y, Yt или их комбинацию, нанесение жаростойкого подслоя и керамического слоя. После нанесения керамического слоя ионно-плазменным методом наносят первый слой сплава на никелевой основе, второй алюминидный слой и третий слой из сплава на никелевой основе, после чего проводят диффузионный отжиг в вакууме. Имплантацию ионов проводят при энергии ионов 0,2 - 100 кэВ и плотности ионного тока от 50 мкА/см до 10 мА/см. В качестве материала первого и третьего слоев, а также жаростойкого подслоя используют сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0,2% до 0,7%, Ni - остальное или Сr - от 18% до 34%, Аl - от 3% до 16%, Y - от 0, 2% до 0,7%, Со - от 16% до 30%, Ni - остальное, и их сочетания. Для второго слоя используют сплав состава, в вес.%: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%, Аl - остальное. В качестве керамического материала используют ZrO-YO в соотношении YО - 5-9 вес.%, ZrO - остальное. Толщина керамического слоя составляет от 20 мкм до 400 мкм, толщина жаростойкого подслоя от 15 мкм до 40 мкм, а толщины первого, второго и третьего слоев от 4 до 12 мкм каждый, но не более 28 мкм их суммарной толщины. Повышаются эксплуатационные свойства теплозащитного покрытия при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с покрытием.
Недостатками способа является трудоемкость способа нанесения покрытия, высокая стоимость используемых материалов и низкая адгезия металлических слоев к верхнему керамическому слою, которая под действием термических и механических нагрузок приведет к скорому отслоению слоя.
3
Известен способ получения жаростойкого покрытия на деталях, работающих в условиях повышенных температур, включающий жидкофазное формирование покрытия на основе алюминида никеля, NiAl, на детали из стали в алюминий-никелевом расплаве с содержанием никеля 40-45% при температуре 1200-1300°С, при этом поверхность деталей предварительно покрывают флюсом на основе криолита (патент RU №2569873). Техническим результатом изобретения является повышение качества покрытия и снижение трудоемкости процесса нанесения покрытий.
3
Недостатком способа является нестабильная работа покрытия из NiAl, способного к деградации в средах с преобладающим содержанием серы.
Известен способ нанесения покрытия (патент RU №2432418), заключающийся в том, что на основу наносят слой из модифицированного платиной алюминида формулы PtMAl, где М обозначает металлы - железо (Fe), никель (Ni) или кобальт (Со), или комбинации из этих металлов. Слой создают с помощью физического осаждения из паровой фазы (PVD). По меньшей мере, оба компонента алюминий (Аl) и металл М физически осаждают из паровой фазы при технологическом давлении, по меньшей мере, 0,1 мбар, предпочтительно, по меньшей мере 0,4 мбар, и, в частности, между 0,4 мбар и 0,6 мбар.
Недостатком покрытий из группы драгоценных металлов является их высокая стоимость, а также слабая эффективность в условиях высокотемпературной газовой и солевой коррозии.
Наиболее близким аналогом к заявленному способу, выбранным за прототип, является способ нанесения керамического слоя теплозащитного покрытия (патент RU №2600783) на изделия с жаростойким покрытием, включающим размещение изделия в камере распыления, заполненной смесью кислорода и инертного газа, нагрев изделия, магнетронное распыление мишени из сплава на основе циркония с образованием керамического слоя и термообработку изделия и отличается тем, что нагрев изделия осуществляют хотя бы частично потоком газоразрядной магнетронной плазмы до температуры 200-800°C и используют мишень из сплава циркония, иттрия, гадолиния и гафния следующего состава, мас.%: иттрий - 6-10, гадолиний - 6-10, гафний 3-7, цирконий - остальное.
Недостатком способа является ограниченный срок эксплуатации слоя жаростойкого покрытия на основе системы NiAlCrY, вследствие протекания процесса диффузии алюминия в верхние слои с последующим разрушением покрытия.
Достигаемым техническим результатом заявленного способа является повышение химической стойкости покрытия лопаток двигателей и турбин к высокотемпературной газовой коррозии.
-1
-1
Указанный технический результат достигается тем, что способ антикоррозионной защиты лопаток двигателей и турбин включает ионную очистку поверхности деталей в вакууме, магнетронное напыление слоев покрытия, термообработку покрытия в вакууме. Причем, магнетронное напыление проводят слоем серебра, затем слоем циркония и слоем оксида циркония, при этом слой серебра и слой циркония наносят в среде аргона при давлении в рабочей камере напыления 6,0*10-7,0*10 Па, причем слой серебра наносят при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,20- 0,22 A; U = 0,66-0,68   кВ до формирования толщины 15-25 мкм, слой циркония наносят при параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,51 - 0,53 A; U = 0,34-0,36 кВ до формирования толщины 10-15 мкм, слой оксида циркония наносят в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при параметрах работы высокочастотного источника тока: U = 60 - 62 В Па до формирования толщины 10-15 мкм, термообработку покрытия в вакууме проводят при температуре 1000-1050°С в течение 3-4 часов.
-1
-1
Нанесение слоя серебра в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,20-0,22 A; U = 0,66-0,68 кВ, давлении в рабочей камере напыления 6,0*10-7,0*10Па обеспечит создание барьерного слоя, ограничивающего диффузию компонентов сплава. При этом нанесение на поверхность детали металлических слоев, способствует армированию покрытия, за счет обретенной пластичности слоя, что повышает стойкость покрытия к воздействию механических и ударных нагрузок.
-1
Нанесение слоя циркония в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,51 -0,53 A; U = 0,34-0,36 кВ, давлении в рабочей камере напыления составляло 6,0*10 Па, также обеспечит создание противодиффузионного армирующего слоя, при этом позволит добиться наилучшей адгезии верхнего оксидного слоя.
-1
-1
Нанесение слоя оксида циркония в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при следующих параметрах работы высокочастотного источника тока: U = 60-62 В, давлении 6,0*10 - 7,0*10 Па обеспечит защиту покрытия от окисления из-за высокой термодинамической стабильности, за счет сформированных реакционным плазменным напылением плотных аморфных слоев.
Проведение термообработки покрытия в вакууме при температуре 1000- 1050 °С в течение 3- 4 часов позволит провести снятие возникших остаточных напряжений в покрытии, полученных методом магнетронного распыления.
Процесс нанесения антикоррозионных защитных покрытий осуществляют следующим образом.
-2
3
Образцы жаропрочного никелевого сплава диаметром 12 мм предварительно подвергают травлению бомбардирующими ионами аргона. Процесс ионного травления ведут при следующих параметрах работы ионного источника: I = 0,053 A; U = 1,6 кВ. Давление в рабочей камере напыления составляет 5,1*10 Па, а скорость подачи рабочего газа аргона - 15 см/мин. Ионное травление проводят в течение 10 минут. Затем, образец в рабочей камере перемешают в позицию над источником постоянного тока, после чего производят напыление двухслойного металлического покрытия, состоящего из серебра и циркония.
-1
-1
Слой серебра наносят в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,20-0,22 A; U = 0,66-0,68 кВ, давлении в рабочей камере напыления 6,0*10-7,0*10 Па. Напыление серебра проводят до формирования толщины слоя 15-25 мкм. Слой циркония наносят в среде аргона при следующих параметрах работы источника постоянного тока: I = 0,51-0,53 A; U = 0,34-0,36 кВ. Напыление циркония проводят до формирования толщины слоя 10-15 мкм. Слой оксида циркония наносят в среде аргона и кислорода в объемном соотношении 1:1 при следующих параметрах работы высокочастотного источника тока: U = 60-62В. Напыление оксида циркония проводят до формирования толщины слоя 10-15 мкм. Далее, для снятия внутренних напряжений в слое оксида циркония и стабилизации структуры покрытия, проводят термообработку покрытия в вакууме при температуре 1000 - 1050°С в течение 3-4 часов.
2
2
После нанесения и термообработки, для оценки термической и химической стойкости покрытий, проводят коррозионные испытания. Образцы с покрытием загружают в реакционную зону электрообогреваемого реактора с системой дозированной подачи коррозионных агентов. В качестве коррозионных агентов были выбраны газы SO и HCl, оказывающие наибольший разрушающий эффект. Общее содержание газов в камере составляло 2 % при объемном соотношении SO и HCl 1:1. Процесс коррозионных испытаний осуществляют при температуре 850 °С в течение 4 часов.
По описанному способу были получены антикоррозионные защитные покрытия различного состава. Примеры составов покрытия представлены в таблице.
Таблица
Характеристика составов покрытий
№
Толщина 1 слоя серебра
Толщина 2 слоя циркония
Толщина 3 слоя оксида циркония
Глубина коррозии при Т=850 °С, длительности испытаний 4 часа, мкм
1
25
10
10
0
2
20
15
10
0
3
15
15
15
0
4
Прототип
Сплав СДП
Оксиды сплава циркония, иттрия, гадолиния и гафния
0,5
2
Из данных таблицы следует, что осуществление технического решения антикоррозионной защиты лопаток двигателей по заявляемому способу является эффективным по сравнению с прототипом и позволяет повысить химическую стойкость покрытия лопаток двигателей и турбин к высокотемпературной газовой коррозии в присутствии коррозионно-активных газов SO и HCl.