НАНОСТРУКТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПОКРЫТИЙ, КОМПОНЕНТЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
NANO-STRUCTURAL COATING SYSTEM, COMPONENTS AND CORRESPONDING METHODS OF MANUFACTURING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к наноструктурным системам (композициям) покрытий, компонентам и соответствующим способам изготовления, обеспечивающим повышенную износостойкость и эрозионную стойкость как при высоких, так и при низких температурах. Более точно, настоящее изобретение относится к системам покрытий, компонентам и соответствующим способам изготовления, которые предусматривают использование множества относительно твердых, хрупких наноразмерных частиц, расположенных в относительно пластичной основе.
Предпосылки создания изобретения
Существует постоянное стремление добиться более высоких рабочих температур для газовых турбин, авиационных двигателей и т.п. для улучшения их технических характеристик и повышения эффективности их работы. Однако при повышении подобных рабочих температур срок службы (долговечность) компонентов данных газовых турбин, авиационных двигателей и т.п. при высокой температуре должен соответственно увеличиваться. Существенный прогресс в области технических характеристик при высоких температурах был достигнут за счет разработки составов и усовершенствования суперсплавов (специальных сплавов) на никелевой, кобальтовой и железной основе. Эти суперсплавы были предназначены для выдерживания температур, превышающих приблизительно 800°С и выше. Тем не менее, при использовании их для образования компонентов газовой турбины, авиационного двигателя или т.п. суперсплавы подвержены разрушению, вызванному окислением и коррозионным воздействием при высоких температурах, и существует возможность того, что они не будут сохранять соответствующие механические свойства. По этой причине подобные компоненты, как правило, защищают климатическим или теплоизоляционным покрытием, которое, как правило, называют покрытием, создающим термический барьер.
Износостойкость, эрозионная стойкость, стойкость к коррозионному истиранию и прочность при высоких температурах представляют собой важные свойства компонентов и систем покрытий газовых турбин, авиационных двигателей и т.п. Для обеспечения соответствующей износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах система покрытия должна сохранять свою твердость, иметь соответствующую ударную вязкость и быть стойкой к окислению. Диапазон эксплуатационных рабочих характеристик обычных жаропрочных систем покрытий, таких как карбиды, стойкие к истиранию сплавы triballoys (сплавы на основе кобальта, никеля, молибдена, кремния и хрома) и т.п., ограничен значениями до приблизительно 800°С - до приблизительно 850°С. Аналогичным образом, беспримесные однофазные керамические системы покрытий имеют сравнительно низкую ударную вязкость и не проявляют хороших эксплуатационных характеристик при повышенных температурах. В настоящее время к лучшим имеющимся системам покрытий с точки зрения износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С) относятся вещества основы L605 и диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). Системы покрытий с элементами микронного размера на основе MCrAlY-оксида алюминия, включающие множество относительно твердых, хрупких керамических частиц микронного размера, демонстрируют свойства, сравнимые со свойствами систем покрытий на основе WC-Co при испытаниях на износ и эрозию, проводимых при комнатной температуре, однако они также не проявляют хороших характеристик при повышенных температурах.
Таким образом, по-прежнему существует необходимость в системе покрытия, которая обеспечивает повышенную износостойкость, эрозионную стойкость, стойкость к коррозионному истиранию и прочность при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С). Данная система покрытия должна сохранять свою твердость, иметь соответствующую ударную вязкость и быть стойкой к окислению.
Аналогичным образом, при сравнительно низких температурах компоненты турбин гидроэлектростанций и т.п. подвергаются существенной эрозии при воздействии на них, например, ила в реках, содержание которого превышает приблизительно 1000 частей на миллион. Данная проблема может быть особенно серьезной в Южной и Юго-Восточной Азии и Южной Америке, где содержание ила во время сезона дождей может превышать приблизительно 50000 частей на миллион. Повреждения, вызванные эрозией, могут привести к уменьшенному кпд и неизбежно влекут за собой дорогостоящие остановки (отключения), связанные с техническим обслуживанием и ремонтом, и замену тяжелых компонентов каждые несколько лет. Чтобы избежать подобных проблем, на многих электростанциях отключают гидроэлектрические турбины, когда содержание ила достигает заранее заданного порогового значения, например, приблизительно 5000 частей на миллион.
Для решения данных проблем компоненты турбин гидроэлектрических станций изготавливали из мартенситной нержавеющей стали 13-4, нержавеющей стали 16-5-1 или т.п., чтобы уменьшить коррозию и повысить эрозионную стойкость компонентов. Также с ограниченным успехом использовали керамические системы покрытий, такие как оксид алюминия, оксид алюминия - диоксид титана и оксид хрома, наносимые с помощью процесса воздушно-плазменного напыления. Аналогичным образом использовали системы покрытий NiCrBSi+WC-CoCr с зернами WC [карбида вольфрама] микронного размера, наносимые посредством процесса напыления и оплавления, и системы покрытий WC-CoCr с зернами WC, наносимые посредством гибридного процесса термического распыления DJ HVOF (diamond jet - high-velocity oxy fuel). Однако ни одна из этих систем покрытий не продемонстрировала надлежащей эрозионной стойкости в условиях, когда содержание ила высокое и скорость воды находится в диапазоне от приблизительно 30 м/с до приблизительно 70 м/с.
Таким образом, по-прежнему существует необходимость в системе покрытия, которая обеспечивает повышенную эрозионную стойкость, коррозионную стойкость, стойкость к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационную стойкость при сравнительно низких температурах.
Краткое изложение сущности изобретения
3
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С). Системы покрытий включают множество сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц, распределенных в сравнительно пластичной, стойкой к окислению основе. Стойкая к окислению основа служит в качестве связующего и включает основу из металлического сплава с установленными характеристиками при высоких температурах. Например, основа из металлического сплава включает сплав на никелевой основе (такой как специальный сплав на никелевой основе, NiCr, NiCrAlY или т.п.), сплав на кобальтовой основе (такой как L605, HS188, CoCrAlY или т.п.), интерметаллическую систему (такую как NiAl, NiAl или т.п.) или сплав с памятью формы, который поглощает энергию удара посредством мартенситного превращения. Наноразмерные керамические частицы могут включать оксид алюминия, оксид циркония, оксид иттрия, гранат на иттриевой основе, муллит, оксид гафния или соответствующую комбинацию их. Вредных взаимодействий между основой из металлического сплава и наноразмерными керамическими частицами избегают за счет выбора комбинаций оксидов металлов, которые вряд ли приведут к нежелательным реакциям. Предпочтительно содержание керамической фазы в объемных процентах находится в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 95%, и размер наноразмерных керамических частиц находится в интервале от приблизительно 5 нм до приблизительно 200 нм, обеспечивая средний свободный промежуток в интервале от приблизительно 200 нм или менее, более предпочтительно - в интервале от приблизительно 100 нм или менее. Если требуется, множество сравнительно твердых, хрупких керамических частиц микронного размера также может быть распределено в основе из металлического сплава в бимодальном варианте осуществления настоящего изобретения.
Системы покрытий по настоящему изобретению демонстрируют увеличенную твердость при повышенных температурах при повышенной стойкости к зарождению и распространению трещин. В частности, относительно твердые, хрупкие наноразмерные керамические частицы обеспечивают увеличенную твердость при повышенных температурах за счет того, что они действуют как препятствие по отношению к перемещению дислокаций, тем самым ограничивая деформацию основы из металлического сплава. Зарождение трещин маловероятно, поскольку относительно твердые, хрупкие керамические частицы имеют наноразмеры (или альтернативно, наноразмеры и микронные размеры), и распространение трещин маловероятно, поскольку сложная спроектированная микроструктура делает траектории распространения извилистыми.
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения также разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной эрозионной стойкости, коррозионной стойкости, стойкости к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационной стойкости при сравнительно низких температурах. Системы покрытий включают в себя множество зерен карбида вольфрама WC с наноразмерами и микронными размерами, распределенных в коррозионно-стойком связующем материале CoCr. Использование наноразмерных зерен WC гарантирует избежание микрорастрескивания зерен WC и уменьшение среднего расстояния между зернами WC, что обеспечивает повышение эрозионной стойкости систем покрытий. Использование зерен WC микронного размера обеспечивает повышение эрозионной стойкости систем покрытий при сравнительно плоских углах и приводит к тому, что траектории распространения [трещин] в связующем материале CoCr будут извилистыми. Использование наноразмерных зерен WC при сравнительно небольшом среднем свободном промежутке обеспечивает повышение общей ударной вязкости систем покрытий, что позволяет иметь меньшее содержание CoCr.
Системы покрытий по настоящему изобретению осаждают на компоненте посредством термического напыления, нанесения гальванических композиционных покрытий (осаждения покрытия электрохимическим методом или химическим путем (методом химического восстановления)), нанесения композиционного покрытия натиранием, электронно-лучевого - физического осаждения из паровой фазы, формования напылением, механического легирования с последующей спрессовкой порошков, смешивания с твердым припоем и нанесения посредством процесса пайки твердым припоем, напыления и оплавления, лазерного переплава или любого другого традиционного способа.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения жаропрочная система покрытия включает по существу пластичную связующую основу и множество по существу твердых наноразмерных керамических частиц, распределенных в по существу пластичной связующей основе, причем средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения жаропрочный компонент включает основной материал, имеющий поверхность, по существу пластичную связующую основу, расположенную по соседству (примыкающую) с поверхностью основного материала, и множество по существу твердых наноразмерных керамических частиц, распределенных в по существу пластичной связующей основе, при этом средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления жаропрочной системы покрытия включает выполнение по существу пластичной связующей основы и распределение множества по существу твердых наноразмерных керамических частиц в по существу пластичной связующей основе, при этом средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения низкотемпературная система покрытия включает по существу коррозионно-стойкую связующую основу, при этом по существу коррозионно-стойкая связующая основа включает, по меньшей мере, один из кобальта, хрома, никеля, нержавеющей стали, нержавеющей стали, легированной кобальтом, сплава на основе железа, аморфного материала и сплава с памятью формы. Низкотемпературная система покрытия также включает множество по существу твердых наноразмерных зерен, распределенных в по существу коррозионно-стойкой связующей основе, причем множество по существу твердых наноразмерных зерен включает, по меньшей мере, один из карбида вольфрама, карбида титана, диборида титана, нитрида титанового сплава, карбида бора, кубического нитрида бора, карбида кремния, нитрида кремния, алмаза и оксида, и при этом средний свободный промежуток между множеством по существу твердых наноразмерных зерен имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения низкотемпературный компонент включает основной материал, имеющий поверхность, и по существу коррозионно-стойкую связующую основу, расположенную по соседству с поверхностью основного материала, при этом по существу коррозионно-стойкая связующая основа включает, по меньшей мере, один из кобальта, хрома, никеля, нержавеющей стали, нержавеющей стали, легированной кобальтом, сплава на основе железа, аморфного материала и сплава с памятью формы. Низкотемпературный компонент также включает множество по существу твердых наноразмерных зерен, распределенных в по существу коррозионно-стойкой связующей основе, причем множество по существу твердых наноразмерных зерен включает, по меньшей мере, один из карбида вольфрама, карбида титана, диборида титана, нитрида титанового сплава, карбида бора, кубического нитрида бора, карбида кремния, нитрида кремния, алмаза и оксида, и при этом средний свободный промежуток между множеством по существу твердых наноразмерных зерен имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления низкотемпературной системы покрытия включает выполнение по существу коррозионно-стойкой связующей основы, при этом по существу коррозионно-стойкая связующая основа включает, по меньшей мере, один из кобальта, хрома, никеля, нержавеющей стали, нержавеющей стали, легированной кобальтом, сплава на основе железа, аморфного материала и сплава с памятью формы. Способ также включает распределение множества по существу твердых наноразмерных зерен в по существу коррозионно-стойкой связующей основе, причем множество по существу твердых наноразмерных зерен включает, по меньшей мере, один из карбида вольфрама, карбида титана, диборида титана, нитрида титанового сплава, карбида бора, кубического нитрида бора, карбида кремния, нитрида кремния, алмаза и оксида, и при этом средний свободный промежуток между множеством по существу твердых наноразмерных зерен имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой концептуальное схематическое изображение одного варианта осуществления наноструктурной системы покрытия по настоящему изобретению, включающей множество относительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц, распределенных в относительно пластичной стойкой к окислению основе.
с
Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий концептуальную зависимость между размером зерна керамических частиц и средним свободным промежутком между керамическими частицами (d/λ) в системе покрытия из кермета и трещиностойкостью (К) системы покрытия из кермета как для нанорежима, так и для микронного режима для систем, в которых связующий материал является пластичным и не содержит растворенной твердой фазы.
Фиг.3 представляет собой концептуальное схематическое изображение другого варианта осуществления наноструктурной системы покрытия по настоящему изобретению, включающей множество относительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц и множество относительно твердых, хрупких керамических частиц микронного размера, распределенных в относительно пластичной стойкой к окислению основе.
Фиг.4 представляет собой концептуальное схематическое изображение бимодальной наноструктурной системы покрытия по фиг.3, на котором выделены хрупкое состояние и пластичное состояние; и
фиг.5 представляет собой концептуальное схематическое изображение дополнительного варианта осуществления наноструктурной системы покрытия по настоящему изобретению, включающей множество наноразмерных керамических зерен и множество керамических зерен микронного размера, распределенных в коррозионно-стойком металлическом связующем.
Подробное описание изобретения
Как описано выше, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С). Наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления обеспечивают достижение данных улучшенных свойств, поскольку они сохраняют свою твердость, являются сравнительно ударновязкими и стойкими к окислению. В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения также разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной эрозионной стойкости, коррозионной стойкости, стойкости к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационной стойкости при сравнительно низких температурах.
3
Как показано на фиг.1, жаропрочная система 10 покрытия по настоящему изобретению включает множество сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц 12, распределенных в относительно пластичной, стойкой к окислению основе 14. В используемом здесь смысле "относительно (сравнительно)" или "по существу" твердый означает твердость, которая, по меньшей мере, приблизительно на 20% больше твердости кварца (выше приблизительно 1200°HV), и "относительно (сравнительно)" или "по существу" пластичный означает наличие пластичности, которая меньше пластичности WC-Co. Стойкая к окислению основа 14 служит в качестве связующего материала и включает основу из металлического сплава с установленными характеристиками при высоких температурах (жаропрочными свойствами). Например, основа из металлического сплава включает сплав на никелевой основе (такой как специальный сплав на никелевой основе, NiCr, NiCrAlY или т.п.), сплав на кобальтовой основе (такой как L605, HS188, CoCrAlY или т.п.), интерметаллическую систему (такую как NiAl, NiAl или т.п.) или сплав с памятью формы, который поглощает энергию удара посредством мартенситного превращения. Как правило, связующий материал включает, например, металл, сплав, суперсплав, сплав для твердой пайки, многофазный сплав, низкотемпературный сплав, жаропрочный сплав (предназначенный для использования при температурах, превышающих приблизительно 700°С), интерметаллический материал, полупроводниковый металл или керамический материал. Суперсплав (специальный сплав) может включать в себя суперсплав на никелевой основе, суперсплав на кобальтовой основе или суперсплав на основе железа. Сплав для твердой пайки может включать в себя никелевый сплав или кобальтовый сплав и хром, вольфрам, бор или кремний. Многофазный сплав может включать в себя сплав, имеющий формулу MCrAlY, где М означает никель, кобальт, железо или их соответствующую комбинацию. К соответствующим примерам относятся NiCrAlY, CoNiCrAlY, CoCrAlY и FeCrAlY, но соответствующие примеры не ограничены вышеуказанными, при этом содержание Cr находится в диапазоне от приблизительно 20% до приблизительно 35%; содержание Al находится в диапазоне от приблизительно 8% до приблизительно 12%, содержание Y составляет менее приблизительно 2%, и Ni, Co и/или Fe составляют остальное. К низкотемпературным сплавам относятся, например, аустенитная нержавеющая сталь, ферритная нержавеющая сталь, сплав на алюминиевой основе, сплав на кобальтовой основе или сплав на титановой основе. К интерметаллическим материалам относятся, например, алюминид никеля, триникельалюминид, алюминид титана, трититаналюминид, пентаниобийтрисилицид, дисилицид ниобия или триниобийсилицид. К полупроводниковым металлам относится, например, кремний. К керамическим материалам относится, например, пластичный керамический оксид, такой как диоксид титана. Связующий материал может включать ничтожные количества смачивающей добавки, такой как титан, магний, кислород, железо, никель, хром или т.п. Предпочтительно связующий материал остается стабильным в температурном интервале от приблизительно 500°С до приблизительно 1150°С.
Наноразмерные керамические частицы 12 могут принимать форму множества наночастиц, нановолокон, нанотрубок, нанотетраподов или т.п. Наноразмерные керамические частицы 12 могут включать оксид алюминия, оксид циркония, оксид иттрия, гранат на иттриевой основе, муллит, оксид гафния или соответствующую комбинацию их. Как правило, наноразмерные керамические частицы 12 могут включать керамический оксид, керамический карбид, керамический нитрид, керамический борид, силицид металла, керамический оксикарбид, керамический оксинитрид, углерод (такой как алмаз) или т.п. К керамическим оксидам относятся, например, оксид металла, оксид полупроводникового материала или смешанный оксид. К оксидам металлов относятся, например, оксид редкоземельного металла, оксид жаропрочного металла, жаропрочный оксид или оксид химически активного металла. К полупроводниковым оксидам относится, например, оксид кремния. К смешанным оксидам относятся, например, оксид иттрия и алюминия, оксид иттрия и железа, силикат циркония, диоксид циркония, стабилизированный оксидом кальция, диоксид циркония, стабилизированный оксидом церия, диоксид циркония, стабилизированный оксидом магния, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, муллит, гранат, титанат металла, лантанат металла, цирконат металла или силикат металла. К металлу титаната металла, лантаната металла, цирконата металла или силиката металла могут относиться алюминий, магний или цирконий. К оксидам редкоземельных металлов относится, например, оксид, содержащий лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций, скандий или иттрий. К оксидам жаропрочных металлов относится, например, оксид, содержащий цирконий, гафний, хром, молибден, ниобий, рений, тантал, вольфрам или ванадий. К жаропрочным оксидам относится, например, оксид, содержащий алюминий, магний или кальций. К оксидам химически активных металлов относится, например, оксид, содержащий титан, никель, кобальт или железо. К керамическим карбидам относится, например, карбид металла или карбид полупроводникового материала. К карбидам металлов относится, например, карбид, содержащий хром, ниобий, гафний, тантал, титан, молибден, бор или вольфрам. К карбидам полупроводниковых материалов относится, например, карбид, содержащий кремний. К керамическим нитридам относится, например, нитрид, содержащий алюминий, хром, ниобий, кремний, бор, цирконий или титан. К керамическим боридам относится, например, борид, содержащий диборид титана или диборид циркония. К силицидам металлов относится, например, силицид, содержащий хром, молибден, тантал, титан, вольфрам или цирконий. Наноразмерные керамические частицы 12 могут также включать промышленно изготавливаемый карбид вольфрама, модифицированный посредством добавления хрома, что повышает его эрозионную стойкость, как описано ниже более подробно.
Сравнительно твердые, хрупкие наноразмерные частицы 12 распределяют в относительно пластичной, стойкой к окислению основе 14 путем использования, например, устройства для механического измельчения, такого как устройство для механического легирования, высокоэнергетическое шаровое измельчающее устройство, реактивное шаровое измельчающее устройство или устройство для измельчения в замороженном состоянии. Как правило, порошкообразный связующий материал и керамические частицы смешивают до однородного состояния с целью образования материала в виде макрочастиц, который термически напыляют или припаивают. Альтернативно керамические частицы переводят во взвешенное состояние в ванне для нанесения гальванических покрытий и обеспечивают их электролитический захват для образования композиционного покрытия посредством процесса нанесения покрытия в резервуаре или нанесения покрытия натиранием. Керамические частицы также могут быть переведены во взвешенное состояние в ванне для нанесения покрытий химическим способом и могут быть захвачены для образования композиционного покрытия. В завершение, как описано выше, порошкообразный связующий материал и керамические частицы могут быть спрессованы вместе для образования одного или нескольких композиционных слитков и подвергнуты испарению в процессе электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы для образования наночастиц в связующей основе.
Вредных взаимодействий между основой из металлического сплава и наноразмерными керамическими частицами 12 избегают за счет выбора комбинаций оксидов металлов, которые вряд ли приведут к нежелательным реакциям. Комбинацию оксидов металлов также выбирают так, чтобы она была несмешиваемой с основой из металлического сплава. В отличие от карбидов и нитридов хорошо подобранные комбинации оксидов металлов являются термодинамически более стабильными, чем их аналоги в виде металлических сплавов, и не будут растворяться в основе из металлического сплава, что обеспечивает сохранение пластичности основы из металлического сплава.
с
-1/2
К ключевым микроструктурным факторам при достижении повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах относятся объемная доля керамической фазы, размер зерна керамических частиц и средняя свободная траектория в основе из металлического сплава. В частности, износостойкость зависит от твердости (Н) и трещиностойкости (К). Твердость зависит от среднего свободного промежутка (расстояния) между керамическими частицами (λ), и трещиностойкость зависит от размера зерна керамических частиц и среднего свободного промежутка между керамическими частицами (d/λ). Зависимость между d/λ и трещиностойкостью как для нанорежима, так и для микронного режима проиллюстрирована на фиг.2. По мере уменьшения размера зерна керамических частиц (d) концентрация напряжений, связанная с керамической частицей, заделанной в основу из металлического сплава, уменьшается и более быстро "воспринимается" вязкой, пластичной основой. Предпочтительно основа из металлического сплава свободна от придающих хрупкость растворенных фаз.
Если снова обратиться к фиг.1, то можно отметить, что содержание керамической фазы в объемных процентах предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 95%, и размер или диаметр 16 наноразмерных керамических частиц 12 находится в диапазоне от приблизительно 5 нм до приблизительно 250 нм. В результате средняя величина свободного промежутка 18 между диспергированными наноразмерными керамическими частицами 12 составляет порядка приблизительно 200 нм или менее, предпочтительно порядка приблизительно 100 нм или менее. Это гарантирует твердость получающейся в результате системы 10 покрытия при высоких температурах. Соответствующая ударная вязкость обеспечивается наноразмером сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц 12, что ограничивает размеры зарождающихся трещин наноразмерами при сохранении пластичности, присущей основе из металлического сплава.
Для обеспечения повышенной стойкости к окислению системы 10 покрытия по настоящему изобретению, находящейся при температуре свыше приблизительно 1000°С, основу из металлического сплава выбирают из MCrAlY, L605, HS188, алюминидов (Ni или Ti) или т.п. Для промежуточных температур (ниже приблизительно 850°С) основу из металлического сплава выбирают из Triballoy 800, NiCrBSi, Ni20%Cr5%Al, Ni20%Cr или т.п. Однако для среднего специалиста в данной области техники очевидно, что могут быть использованы другие пригодные материалы.
Система 10 покрытия демонстрирует как высокую твердость, так и высокую ударную вязкость, обеспечивая повышенную износостойкость. Поскольку диспергированные наноразмерные керамические частицы 12 имеют сравнительно низкое химическое сродство по отношению к металлическим сопряженным (противолежащим) поверхностям, система 10 покрытия демонстрирует также повышенную стойкость к коррозионному истиранию. Это в особенности справедливо в условиях контакта при высоком давлении, если используется соответствующая основа из металлического сплава на кобальтовой основе или т.п., такая как triballoy или L605. Наноразмеры наноразмерных керамических частиц 12 гарантируют то, что при наличии контакта под высоким давлением с материалом сопряженной поверхности относительно твердые, хрупкие наноразмерные керамические частицы 12 не способны проникать в материал сопряженной поверхности для того, чтобы вызвать экстенсивное образование задиров. Таким образом, наноразмеры наноразмерных керамических частиц 12 обеспечивают минимизацию износа сопряженной поверхности.
В условиях эрозии даже системы покрытий, включающие в себя преимущественно твердые, хрупкие составляющие, могут повести себя как пластичные системы, если размеры микроструктурных элементов твердых, хрупких составляющих будут существенно меньше размера соответствующей лунки, образующейся в результате удара. Однако пластичная "ответная реакция" в значительной степени ограничена вследствие наличия твердых, хрупких составляющих. При таких условиях интенсивность эрозии уменьшается с уменьшением среднего свободного промежутка между твердыми, хрупкими составляющими. Наноразмеры наноразмерных керамических частиц 12 и средний свободный промежуток 18 по настоящему изобретению позволяют достичь повышенной эрозионной стойкости.
Как показано на фиг.3 и 4, множество сравнительно твердых, хрупких керамических частиц 20 микронного размера также может быть распределено в основе из металлического сплава в двухвидовом варианте осуществления настоящего изобретения для обеспечения повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при сравнительно высоких и сравнительно низких температурах. Бимодальная система 30 покрытия включает хрупкую 32 систему, испытывающую только умеренный износ при повышенных температурах, и пластичную 34 систему, испытывающую только небольшой износ при повышенных температурах. Предпочтительно керамические частицы 20 микронного размера имеют размер или диаметр, не превышающий приблизительно 1 микрона. Что касается хрупкой 32 системы, то любые трещины, имеющиеся в относительно твердых, хрупких керамических частицах 20 микронного размера, "притупляются" за счет сравнительно пластичной основы из металлического сплава. Как описано выше, что касается пластичной 34 системы, то трещины в сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частицах 12 предотвращаются, и пластичная деформация основы из металлического сплава в значительной степени ограничена, что приводит к повышенной износостойкости. В частности, наноразмерные керамические частицы 12 обеспечивают повышенную твердость при повышенных температурах за счет того, что они действуют как препятствие по отношению к перемещению дислокаций, тем самым ограничивая деформацию основы из металлического сплава. Зарождение трещин маловероятно, поскольку хрупкие керамические частицы имеют наноразмеры, и распространение трещин маловероятно, поскольку сложная спроектированная микроструктура делает траектории распространения извилистыми.
Керамические частицы 20 микронного размера могут включать в себя оксид алюминия, оксид циркония, оксид иттрия, гранат на иттриевой основе, муллит, оксид гафния или соответствующую комбинацию их. Как правило, керамические частицы 20 микронного размера могут включать керамический оксид, керамический карбид, керамический нитрид, керамический борид, силицид металла, керамический оксикарбид, керамический оксинитрид, углерод (такой как алмаз) или т.п. К керамическим оксидам относятся, например, оксид металла, полупроводниковый оксид или смешанный оксид. К оксидам металлов относятся, например, оксид редкоземельного металла, оксид жаропрочного металла, жаропрочный оксид или оксид химически активного металла. К полупроводниковым оксидам относится, например, оксид кремния. К смешанным оксидам относятся, например, оксид иттрия и алюминия, оксид иттрия и железа, силикат циркония, диоксид циркония, стабилизированный оксидом кальция, диоксид циркония, стабилизированный оксидом церия, диоксид циркония, стабилизированный оксидом магния, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, муллит, гранат, титанат металла, лантанат металла, цирконат металла или силикат металла. К металлу титаната металла, лантаната металла, цирконата металла или силиката металла могут относиться алюминий, магний или цирконий. К оксидам редкоземельных металлов относится, например, оксид, содержащий лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций, скандий или иттрий. К оксидам жаропрочных металлов относится, например, оксид, содержащий цирконий, гафний, хром, молибден, ниобий, рений, тантал, вольфрам или ванадий. К жаропрочным оксидам относится, например, оксид, содержащий алюминий, магний или кальций. К оксидам химически активных металлов относится, например, оксид, содержащий титан, никель, кобальт или железо. К керамическим карбидам относятся, например, карбид металла или карбид полупроводникового материала. К карбидам металлов относится, например, карбид, содержащий хром, ниобий, гафний, тантал, титан, молибден, бор или вольфрам. К полупроводниковым карбидам относится, например, карбид, содержащий кремний. К керамическим нитридам относится например, нитрид, содержащий алюминий, хром, ниобий, кремний, бор, цирконий или титан. К керамическим боридам относится, например, борид, содержащий диборид титана или диборид циркония. К силицидам металлов относится, например, силицид, содержащий хром, молибден, тантал, титан, вольфрам или цирконий.
Наноструктурные системы 10, 30 покрытий по настоящему изобретению осаждают на компоненте, состоящем из материала субстрата, посредством термического напыления, нанесения гальванических композиционных покрытий (осаждения покрытия электрохимическим методом или химическим путем), нанесения композиционного покрытия натиранием, электронно-лучевого - физического осаждения из паровой фазы, формования напылением, механического легирования с последующей спрессовкой порошков, смешивания с твердым припоем и нанесения посредством процесса пайки твердым припоем, напыления и оплавления, лазерного переплава или любого другого традиционного способа. В том случае, если требуется покрытие очень большой толщины, комбинацию оксидов металлов по настоящему изобретению наносят с помощью процесса напыления и оплавления и затем впоследствии снова нагревают для сплавления основы из металлического сплава. Система покрытия по настоящему изобретению также может быть синтезирована в структуру такого типа, которая поддается термическому напылению, посредством агломерирования и спекания или механического легирования с последующим агломерированием до заданных размеров. Парциальное давление кислорода регулируют во время синтеза порошка для достижения заданной повышенной адгезии оксидов металлов. К пригодным устройствам/процессам термического напыления относятся процессы HVOF и HVAF, воздушно-плазменные процессы, процессы с плазмой низкого давления и т.п.
К спроектированным компонентам, в которых используются наноструктурные системы 10, 30 покрытий по настоящему изобретению, относятся те, которые связаны с газовыми турбинами, турбинами гидроэлектростанций, авиационными двигателями, двигателями внутреннего сгорания и т.п. Например, к спроектированным компонентам может относиться направляющая лопатка, планшайба, игольчатый клапан или седло игольчатого клапана, вал, уплотнение подшипника, лопатка компрессора, уплотнение, рабочее колесо, лопасть крыльчатки в центробежном насосе, лопасть крыльчатки в центробежном компрессоре, уплотнения между ступенями, уплотнение в поршневом штоке, поршневое кольцо, лопасть вентилятора, компрессор, подвергающаяся истиранию периферия в паровой турбине, подвергающаяся истиранию периферия в газовой турбине, лабиринтное уплотнение, уплотнение с газовым трактом в диске, выпускной клапан в двигателе внутреннего сгорания, щеточное уплотнение, крыльчатка турбокомпрессора в двигателе внутреннего сгорания, шатун в двигателе внутреннего сгорания, манжетное уплотнение между ступенями, движущиеся детали в камере сгорания, покрытие лопаток задней ступени турбины высокого давления, покрытие лопаток турбины низкого давления, интерлок с z-образной канавкой, опора форсажной камеры, заслонка выпускного клапана, режущий инструмент и т.п.
Как показано на фиг.5, что касается сравнительно низкотемпературных применений в турбинах гидроэлектростанций, то в них используются системы покрытий с термически напыленным карбидом вольфрама для защиты компонентов от износа, эрозии и истирания. Однако подобные повреждения, как правило, возникают из-за комбинации эрозии под воздействием твердых частиц, коррозии, разрушения при ударе твердыми частицами и кавитации. Для противодействия комбинированному воздействию эрозии и коррозии хром часто добавляют в связующий материал на основе кобальта, который содержит множество зерен WC микронного размера. Тем не менее, низкотемпературная наноструктурная система 40 покрытия по настоящему изобретению позволяет повысить эрозионную стойкость и ударную вязкость, присущие данным традиционным низкотемпературным системам покрытий, при одновременном сохранении их коррозионной стойкости.
2
3
Как описано выше, низкотемпературная наноструктурная система 40 покрытия по настоящему изобретению включает множество наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама и, возможно, зерна 44 карбида вольфрама микронного размера, распределенные в коррозионно-стойком связующем или основе 46 из CoCr. Использование наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама гарантирует избежание микрорастрескивания зерен WC и уменьшение среднего расстояния 48 между зернами WC, что обеспечивает повышение эрозионной стойкости системы 40 покрытия. Использование зерен 44 карбида вольфрама микронного размера обеспечивает повышение эрозионной стойкости системы 40 покрытия при сравнительно плоских углах и приводит к тому, что траектории распространения [трещин] в связующем материале 46 из CoCr будут извилистыми. Использование наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама при сравнительно небольшом среднем свободном расстоянии (промежутке) 48 обеспечивает повышение общей ударной вязкости системы 40 покрытия, что позволяет иметь меньшее содержание CoCr. Использование наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама при сравнительно небольшом среднем свободном промежутке 48 также обеспечивает повышение ударной вязкости связующего материала 46 из CoCr в ситуациях, когда связующий материал 46 из CoCr включает растворенные фазы, что делает связующий материал 46 из CoCr менее пластичным. Альтернативно связующий материал 46 из CoCr может быть заменен другими металлическими элементами, такими как никель, нержавеющая сталь, нержавеющая сталь, легированная кобальтом, сплав на основе железа, аморфный материал и/или сплав с памятью формы, который поглощает энергию удара посредством мартенситного превращения. Аналогичным образом наноразмерные зерна 42 карбида вольфрама могут быть заменены карбидом титана, диборидом титана, нитридом титанового сплава, карбидом бора, кубическим нитридом бора, карбидом кремния, нитридом кремния, алмазом или оксидом, таким как AlO или т.п. Эти альтернативные частицы могут обладать большей твердостью и/или ударной вязкостью по сравнению с частицами карбида вольфрама и меньшей массой (быть более легкими). К другим возможным комбинациям относятся сплавы основ, которые имеют наночастицы, которые выделяются из легированного материала основы, такие как gamma prime или карбид. Возможно, данные наночастицы выделяются во время процесса нанесения покрытия в горячем состоянии из таких материалов, как аморфный легированный исходный материал. Аморфный материал обеспечивает получение прочного материала основы благодаря отсутствию в нем дислокаций и межзеренных границ и может быть использован для образования малых наноразмерных зерен для разрушения дислокаций и обеспечения повышенной прочности.
Типовое содержание CoCr в промышленно изготавливаемых, термически напыляемых порошках WC-CoCr составляет приблизительно 10 мас.% Co и приблизительно 4 мас.% Cr. Содержание CoCr в системе 40 покрытия по настоящему изобретению находится в диапазоне от приблизительно 6 мас.% (приблизительно 4 мас.% Co и приблизительно 2 мас.% Cr) до приблизительно 14 мас.% (до приблизительно 5 мас.% Cr, при этом остальное - с содержанием Co до приблизительно 9 мас.%). Как правило, системы покрытий с меньшим содержанием металлического связующего материала имеют лучшую эрозионную стойкость при сравнительно плоских углах удара, но являются сравнительно хрупкими и демонстрируют низкую эрозионную стойкость при сравнительно больших углах удара, а также низкую трещиностойкость. Использование наноразмерных частиц 42 карбида вольфрама и меньшего содержания CoCr позволяет уменьшить средний свободный промежуток между зернами WC, что обеспечивает повышение ударной вязкости, присущей системе 40 покрытия, и повышение ее эрозионной стойкости. Предпочтительно наноразмерные зерна 42 карбида вольфрама имеют размер или диаметр 50 в диапазоне от приблизительно 10 нм до приблизительно 250 нм.
Если требуется, использование зерен 44 карбида вольфрама микронного размера, которые предпочтительно имеют размер или диаметр в диапазоне от приблизительно 0,5 микрона до приблизительно 2 микрон, обеспечивает эрозионную стойкость системы 40 покрытия при сравнительно малых (плоских) углах удара, и в том случае, если микротрещина образуется в связующем материале 46 из CoCr, она будет распространяться по извилистой траектории, поскольку трещине придется отклоняться вокруг зерен 44 карбида вольфрама, имеющих микронные размеры. Предпочтительно среднее расстояние 48 между зернами WC составляет от приблизительно 50 нм до приблизительно 500 нм, более предпочтительно - от приблизительно 50 нм до приблизительно 250 нм. Предпочтительно общее содержание зерен WC в объемных процентах составляет от приблизительно 5% до приблизительно 95%, более предпочтительно - от приблизительно 50% до приблизительно 95% (при этом приблизительно 70% от общего содержания в объемных процентах составляют наноразмерные зерна 42 карбида вольфрама и приблизительно 30% от общего содержания в объемных процентах составляют зерна 44 карбида вольфрама, имеющие микронные размеры). Если используются никель, нержавеющая сталь и/или нержавеющая сталь, легированная кобальтом, их общее содержание в объемных процентах предпочтительно составляет менее приблизительно 20%.
Хром в связующем материале 46 из CoCr служит двум важным целям. Во-первых, хром повышает общую коррозионную стойкость системы 40 покрытия. Во-вторых, хром ограничивает растворение первичного WC во время процесса напыления и обеспечивает большее сохранение первичной фазы WC, что повышает эрозионную стойкость системы 40 покрытия.
Низкотемпературную наноструктурную систему 40 покрытия по настоящему изобретению осаждают на компоненте, состоящем из субстрата (основы), путем использования любого обычного процесса термического напыления, предпочтительно процесса HVOF или HVAF, или процесса холодного напыления. Субстрат включает, например, сплав на магниевой, алюминиевой, медной, железной, никелевой или кобальтовой основе. Ключевой фактор, который следует принимать во внимание при использовании процессов термического напыления, - это оптимизация условий напыления для ограничения растворения WC во время процесса осаждения, обеспечения соответствующего сохранения фазы WC и уменьшения образования эта-фазы в связующем материале. Система 40 покрытия также может быть осаждена на компоненте посредством смешивания порошка WC-CoCr с основой сплава для твердой пайки и напайки смеси на поверхность посредством процесса пайки с твердым припоем в виде ленты или посредством нанесения покрытия в виде суспензии и обжига. Порошок WC-CoCr смешивают с композицией, такой как NiCrBSi, осаждают с помощью горелки для распыления при сгорании и впоследствии расплавляют, или его смешивают с флюсом с более низкой температурой плавления или любым другим сплавом для пайки твердым припоем и расплавляют, используя лазер или т.п. Соотношение количества сплава для пайки твердым припоем и порошка WC-CoCr оптимизируют для гарантирования того, что смеси обеспечат надлежащую эрозионную стойкость.
Несмотря на то что настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления и их примеры, для средних специалистов в данной области техники будет очевидно, что другие варианты осуществления и примеры могут обеспечить выполнение аналогичных функций и/или достижение аналогичных результатов. Все подобные эквивалентные варианты осуществления и примеры находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, и предусмотрено, что они охватываются нижеприведенной формулой изобретения.