СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR PROTECTION OF GAS TURBINE COMPONENTS MADE FROM NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей от высокотемпературного окисления, в том числе сопловых блоков, створок сопла газотурбинного двигателя (ГТД) с регулируемым вектором тяги, рабочих и сопловых лопаток газовых турбин из никелевых сплавов.
Известен способ осаждения диффузионного алюминидного покрытия на подложку из никелевого или кобальтового жаропрочного сплава (патент US 6291014 B1, С23С 10/02, опубл. 18.09.2001), включающий нанесение диффузионного алюминидного покрытия, содержащего: Al, Si и Hf на подложку для формирования начального слоя алюминидного покрытия, далее нанесение слоя платины, формирование внутреннего слоя алюминидного покрытия и внешнего слоя гамма матрицы Ni, Pt, Si с содержанием компонентов от 0,01 до 8%, вторичные выделения, включающие силициды гафния и кремния. Недостатками способа являются высокая трудоемкость процесса, использование дорогостоящего драгоценного металла - платины, неудовлетворительная жаростойкость покрытия при температурах выше 1100°C.
-1
Известен также способ защиты лопаток газовых турбин (патент RU 2280096 C1, С23С 14/06, опубл. 20.07.2006), включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы путем введения в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)⋅10 Па. Недостатком способа являются недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах до 1200°C.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты лопаток газовых турбин (патент RU 2452793 C1, С23С 14/06, опубл. 10.06.2012), включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, тантал, рений, последующее осаждение второго слоя из алюминиевого сплава и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного гафнием, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Хром
6,0-11,5
Алюминий
6,0-12,0
Иттрий
0,1-0,5
Тантал
1,5-8,0
Рений
0,3-2,5
Гафний
0,2-1,5
Никель
Остальное
Недостатком способа-прототипа являются недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах лопатки из никелевого сплава до 1250°C.
Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов с осаждением первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, дополнительно легированного гафнием, позволяет поднять жаростойкость покрытия за счет формирования на границе защищаемый сплав - покрытие карбидов на основе гафния, которые являются более термически стабильными при температурах выше 1100°C, чем карбиды хрома и вольфрама. Карбиды на основе гафния создают барьер, препятствующий диффузии алюминия из сплава покрытия в защищаемый сплав, а также встречной диффузии легирующих элементов защищаемого сплава в покрытие, снижающих жаростойкость при температуре выше 1100°C (титан, молибден, кобальт). Кроме того, гафний оказывает положительное влияние на жаростойкость покрытия путем создания на поверхности покрытия окислов, повышающих адгезию защитной пленки оксида алюминия. Отсутствие в составе сплава таких элементов, как тантал, рений, иттрий, исключает формирование на поверхности покрытия шпинелей, снижающих защитные свойства оксидной пленки.
Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевого сплава до 1250°C.
Технический результат достигается способом защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающим осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, последующее осаждение второго слоя из алюминиевого сплава и вакуумный отжиг, отличающимся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, при следующем содержании компонентов, мас. %:
Гафний
0,5-3,0
Алюминий
10,0-20,0
Хром
5,0-10,0
Никель
Остальное
а осаждение второго слоя покрытия производят из алюминиевого сплава, легированного гафнием, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Гафний
0,5-3,0
Никель
10,0-20,0
Алюминий
Остальное
Предпочтительно после вакуумного отжига на поверхность покрытия наносится керамический слой на основе диоксида циркония.
Примеры осуществления
2
Пример 1. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность соплового блока из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-1В в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlHf, состав которых представлен в таблице 1. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминиевых сплавов 4, 5 и 6 (соответственно) системы AlNiHf, состав которых представлен в таблице 1, и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°C в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м.
Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в таблице 2.
2
Пример 2. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность створки сопла для ГТД с регулируемым вектором тяги из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-25 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlHf, состав которых представлен в таблице 2. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминиевых сплавов 4, 5 и 6 (соответственно) системы AlNiHf, состав которых представлен в таблице 1, и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°C в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м.
Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в таблице 3.
2
Пример 3. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность лопатки газовых турбин из никелевого сплава ВИН3 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlHf, состав которых представлен в таблице 3. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминиевых сплавов 4, 5 и 6 (соответственно) системы AlNiHf, состав которых представлен в таблице 1, и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°C в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м.
Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в таблице 4.
На всех деталях из никелевых сплавов ВКНА-1В, ВКНА-25 и ВИН3 покрытие, полученное с использованием сплавов 2 и 5, на базе испытаний 500 часов обеспечило наименьшие значения потери массы деталей (таблицы 2, 3, 4) за счет положительного влияния гафния, снижения содержания хрома и исключения тантала, рения и иттрия. Жаростойкость покрытия повысилась более чем в 1,5 раза.
Применение предлагаемого способа позволяет повысить жаростойкость покрытия и, следовательно, ресурс и надежность деталей газовых турбин.