СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОПРОЧНОСТЬЮ
METHOD OF MAKING HIGHER THERMAL STRENGTH HEAT-RESISTANT CERMET COAT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в технологических процессах нанесения теплозащитных металлокерамических покрытий на внутренние поверхности камер сгорания, а также для нанесения жаростойкого металлокерамического покрытия для газовых турбин авиационных и ракетных двигателей.
Тенденции развития современных технологий создания ракетных двигателей связаны с потребностью в повышении рабочих температур камер сгорания. Для решения этой задачи требуется повышать термобарьерные свойства металлокерамических покрытий, применяемых для защиты внутренних поверхностей корпусов камер сгорания.
В настоящее время, наиболее широкое применение в двигателестроение нашли теплозащитные покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
Для повышения эрозионной стойкости покрытий создаются многослойные композитные структуры, состоящие из слоев керамики и металла. В качестве металлических слоев может применяться никель, медь, сплавы на основе никеля или кобальта и другие металлы и сплавы.
Для повышения термозащитных свойств покрытий требуется создавать структуры с увеличенной толщиной и с большим числом образующих металлических и керамических слоев. Однако с увеличением толщины композитных металлокерамических покрытий в их структуре при нагреве возникают поверхностные термические напряжения, которые приводят к образованию и развитию трещин.
Таким образом, требуется создавать покрытия, которые обладают достаточной толщиной для обеспечения условий теплозащиты и в которых не возникает критического уровня термонапряжений при температурном воздействии.
Пути решения данной проблемы связаны с выбором материала для металлических слоев, а также с подбором оптимальных толщин слоев керамики и металла в структуре покрытия. Подбор оптимальной микроструктуры покрытия возможен благодаря зависимости уровня термических напряжений от градиента температурного поля, реализующегося в структуре покрытия, который в свою очередь существенно зависит от толщины слоев и материалов, из которых они состоят.
Известен способ создания теплозащитного многослойного покрытия, состоящего из слоев керамики и металла с использованием плазменного напыления (см., например, описание изобретения к патенту США №4904542, кл. C23C 14/06, опубл. 27.02.1990).
Применяемый металлический сплав (на основе никеля или кобальта) в структуре покрытия выбирается из требования повышения эрозионной стойкости, однако, данное изобретение не решает вопрос термопрочности и не направлено на повышение термобарьерных свойств покрытия. В данной технологии, наоборот, применение металлических прослоек с высоким коэффициентом теплопроводности приведет к снижению термобарьерных характеристик покрытия и потребуется создание структур большей толщины, по сравнению с покрытием из чистой керамики.
Известен способ получения теплозащитного покрытия для энергетических установок, включающий формирование на защищаемой поверхности лопатки металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя, при этом переходный металлокерамический слой формируют путем смачивания керамического слоя металлом нижележащего подслоя на глубину, равную толщине переходного слоя (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2426819, кл. C23C 28/00, опубл. 30.11.2010).
В этом патенте предлагается технология управления толщиной переходных слоев в микроструктуры покрытия, однако, основная задача этой технологии - повышение адгезионной прочности покрытия с подложкой, но не повышение термопрочности покрытий при наращивании их толщины, так как трещины в композитных маталлокерамических покрытиях начинают развиваться, преимущественно, в верхних слоях, подверженных наибольшему температурному нагреву.
Известен способ создания теплозащитного покрытия для деталей газовых турбин, в котором между внутренним подслоем покрытия и внешним слоем нанесен промежуточный пористый металлокерамический слой с градиентом объема пор от его внешней поверхности к внутренней от 2-5% до 25-40% (см., описание изобретения к авт. свид. СССР №864869, кл. C22C 19/00 от 10.04.1980).
Данный способ предполагает управление микроструктурой покрытия с целью повышения термической прочности путем снижения градиента температурного поля в структуре покрытия. Однако данный способ не распространяется на многослойные композитные структуры и поэтому не может быть использован при разработке технологий создания покрытий увеличенной толщины.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ создания теплозащитного металлокерамического покрытия с повышенной термопрочностью, при котором на рабочую поверхность наносят многослойное защитное покрытие из чередующихся керамических и металлических слоев (см. описание изобретения к патенту РФ №2309194, кл. C23C 14/34, опубл. 27.10.2007).
В данной технологии рабочую поверхность детали покрывают чередующимися слоями из жаростойкого и жаропрочного металлокерамического материала, представляющего собой слои тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла. Нанесение покрытия выполняется ионно-плазменным способом.
Окислы металлов выбирают с наибольшим сродством к кислороду (иттрий, хром, алюминий). Компенсационные слои выполняют из тех же металлов, окислы которых составляют основу тугоплавких металлокерамических слоев. Состав компонентов подбирается таким образом, чтобы коэффициент термического растяжения внутреннего слоя отличался от коэффициента термического расширения покрываемого металла не более чем на 15%. Толщина слоев керамики составляла 15 мкм, и компенсационных слоев металла - 3 мкм.
Однако известная технология не содержит методов повышения термопрочности покрытия путем подбора оптимальной переменной толщины слоев в покрытии.
В основу настоящего изобретения положена техническая задача повышения температурной прочности и теплозащитных характеристик многослойных металлокерамических покрытий, состоящих из слоев диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и слоев никеля. Для этого покрытие послойно наносится методом ионно-плазменного напыления. На защищаемой поверхности, во-первых, формируется металлический подслой никеля. Далее наносится композитная структура покрытия из чередующихся керамических слоев из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и металлических слоев никеля. При этом толщина металлических слоев составляет по меньшей мере 4 мкм, а толщина керамических слоев изменяется от минимального значения в 1-2 мкм для слоя, наиболее близкого к подложке, и далее увеличивается для каждого нового слоя керамики на 2-4 мкм, толщина внешнего поверхностного керамического слоя покрытия составляет 20-30 мкм.
Таким образом, указанный технический результат достигается в способе создания многослойного теплозащитного металлокерамического покрытия для камер сгорания и газовых турбин авиационных и ракетных двигателей, включающем нанесение на рабочую поверхность чередующихся керамических и металлических слоев. Слои наносят ионно-плазменным напылением, сначала на рабочую поверхность наносят металлический слой, при этом все металлические слои формируют одинаковой толщины, составляющей по меньшей мере 4 мкм, из никеля, керамические слои формируют переменной толщины из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, причем первый из керамических слоев от рабочей поверхности формируют толщиной по меньшей мере 1-2 мкм, каждый следующий керамический слой от рабочей поверхности формируют с увеличением толщины на 2-3 мкм, а внешний поверхностный керамический слой формируют толщиной 20-30 мкм.
Кроме того, толщина каждого металлического слоя в структуре покрытия составляет, по меньшей мере, 4 мкм.
Таким образом, образуется структура со слоями никеля постоянной толщины и со слоями керамики, толщина которых увеличивается при отдалении от подложки, достигая в максимальном значении 15-30 мкм. В качестве материала для металлических слоев также может быть использована медь.
Предложенное изобретение может быть реализовано с использованием стандартного оборудования для нанесения тонкослойных металлокерамических покрытий методом ионно-плазменного напыления. Для керамических слоев предлагается использовать диоксид циркония, стабилизированного оксидом иттрия в процентном содержании до 5%. Для металлических слоев возможно использование никеля.
Для реализации предложенной технологии должна быть отработана методика управления толщиной слоев покрытия путем обеспечения контроля времени и скорости нанесения покрытия, а также числа проходов напыляющей установки над защищаемой поверхностью. Для этого требуется исследовать микроснимки поперечных срезов металлокерамических слоев, полученных при различных режимах нанесения. После проведения предварительных тестовых экспериментов по созданию слоев никеля и керамики на защищаемой поверхности при различных технологических параметрах процесса (время, скорость, число проходов), требуется выбрать режим напыления, при котором возможно создавать слои никеля толщиной 4 мкм и требуется подобрать параметры процесса напыления, при которых возможно создавать слои керамики с различной толщиной: 2, 5, 8, 12, 15, 20 мкм (±1 мкм). Для обеспечения наилучшего результата в соях покрытия не должно присутствовать пористости в объеме, большем 5%.
Предложенный способ осуществляют следующим образом.
После тестовой отработки технологии на защищаемую поверхность наносят покрытие, при этом, во-первых, на подложку наносят металлический подслой - для обеспечения наилучшей адгезии покрытия к подложке. Далее требуется наносить слои керамики переменной толщины, увеличивающейся по мере отдаления от подложки, и между слоями керамики наносятся слои никеля толщиной 4 мкм. Верхний слой покрытия должен быть керамическим для обеспечения термостойкости, он выполняется максимально возможной толщины (20-30 мкм), которая может быть получена без образования дефектов (трещин), что также следует проверять экспериментально на микроснимках срезов покрытия.
Например, одной из оптимальных структур является покрытие, состоящее из двадцати чередующихся металлических и керамических слоев, при этом толщина металлических слоев составляет 4 мкм, а толщина керамических слоев составляет 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30 мкм. То есть внешний (последний) керамический слой выполняется наибольшей толщины, равной 30 мкм, а слой, наиболее близкий к подложке, имеет толщину 3 мкм. Общая толщина покрытия составит 205 мкм.
В результате на защищаемой поверхности формируют структурированное металлокерамическое покрытие с переменной толщиной слоев керамики. Покрытие обладает повышенной термопрочностью, так как используемое структурное строение позволяет перераспределить градиенты температурных полей в слоях покрытия и снизить возникающие температурные напряжения и деформации. Толщина покрытия может быть увеличена, по сравнению с покрытием с постоянной толщиной керамических слоев не менее чем на 40% при сохранении необходимых характеристик температурной прочности. Благодаря этому возможно создавать бездефектные металлокерамические покрытия большей толщины, которые будут обладать повышенными теплозащитными свойствами.
Использование предложенного способа нанесения покрытий с переменной толщиной керамических слоев, увеличивающейся по мере отдаления от подложки, позволяет перераспределить градиенты температурного поля в керамических и металлических слоях покрытия, благодаря чему происходит снижение уровня термических напряжений и деформаций и увеличивается термопрочность покрытия.
Благодаря предложенному методу возможно создание покрытий увеличенной толщины без образования в них трещин и расслоений, так как в указанной структуре при увеличении числа слоев удается добиться снижения концентрации термонапряжений. Поэтому предложенный метод позволяет создавать покрытия с повышенными характеристиками теплозащиты, вследствие большей общей толщины покрытия, которую можно достичь без возникновения дефектов в структуре.
Предложенный способ позволяет наносить покрытия с увеличенной толщиной и с большим числом слоев в структуре без образования температурных трещин.
Таким образом, способ позволяет повысить термопрочность покрытия и позволяет получать покрытия большей толщины, то есть с повышенными теплозащитными характеристиками.