МНОГОСЛОЙНОЕ ЖАРОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ НА ИЗДЕЛИЯХ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
MULTILAYER HEAT-RESISTANT COATING ON ARTICLES FROM CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для деталей, работающих в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, например для сопловых лопаток газотурбинных двигателей.
2
2
3
Для таких деталей наиболее распространенным является использование керамического покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO-YO) с предварительно нанесенным адгезионным слоем или связующим слоем MeCrAlY, где металл Me-Ni, Co, Cr (патент России №2445199, B23P 6/00, C23C 14/06, опубл. 20.03.2012 г.).
Недостатком такого покрытия является возникновение термических напряжений, приводящих к разрушению. Также керамическое покрытие разрушается из-за того, что внешний слой и подложка имеют разные коэффициенты термического расширения.
2
3
2
2
3
2
3
2
2
5
2
2
5
2
5
Наиболее близким техническим решением является покрытие на основе AlO (35 весовых долей, %), где одним из вторых оксидов металлов является TiO, а также 10 весовых долей, % AlO, BO, GeO, PO, SiO, TeO и VO (патент России №2332522, C23C 4/10, опубл. 26.02.2003 г.). Данное покрытие является аморфным, одной из кристаллических фаз является .
2
3
2
2
2
5
2
5
2
3
Недостатком данного покрытия является высокая хрупкость, присущая системе AlO-TiO, а добавки на основе SiO, VO, PO, AsO не снижают хрупкость, зато резко уменьшают температуру плавления многокомпонентной смеси, тем самым понижая максимальную температуру эксплуатации покрытия. Высокие напряжения возникают из-за разницы коэффициента термического расширения углерод-углеродного керамического материала и материала покрытия.
Задачей предложенного технического решения является устранение недостатков вышеназванных технических решений, повышение твердости покрытия и адгезии покрытия к подложке при снижении его плотности и коэффициента термического расширения.
2
3
2
6
Поставленная задача достигается за счет того, что многослойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, включающее теплоизоляционные слои на основе системы оксид алюминия - оксид титана (AlO-TiO), имеет дополнительно внешний слой, содержащий гексаборид лантана LaB при следующем соотношении компонентов, вес. %:
гексаборид лантана (LaB<sub>6</sub>)
0,5-5,0
оксид титана (TiO<sub>2</sub>)
2,0-3,0
оксид алюминия (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
остальное
2
3
2
6
а слои покрытия по толщине: слой на изделии ZrN, средний слой Ni22Cr10AlY и внешний слой AlO-TiO-LaB относятся между собой как 1:2,5:5.
пл
В предлагаемом многослойном жаростойком покрытии повышение максимальной температуры эксплуатации, снижение напряжений в покрытии до уровня, не превышающего уровень разрушения покрытия, обеспечивается за счет введения модифицирующей добавки гексаборида лантана в количестве 0,5-5,0% вес., так как он является наиболее тугоплавким компонентом из всех составляющих покрытие (T=2700°C). В процессе эксплуатации изделий протекают реакции разложения гексаборида лантана
6
2
2
3
2
3
4LaB+21O=2LaO+12 BO
В результате образуется стекловидная фаза на основе оксидов лантана и бора, которая отражает тепловой поток подобно боросиликатному стеклу и активно участвует в залечивании образующихся в процессе эксплуатации дефектов. Также происходит образование сложных шпинелей на основе , где лантан выступает в качестве атома замещения, благодаря чему увеличивается прочность покрытия.
Слои покрытия по толщине относятся между собой как 1:2,5:5, то есть слой на изделии составляет 20-30 мкм, средний слой - 50-70 мкм, а внешний слой - 100-150 мкм, и выбраны так, чтобы напряжения в системе покрытия углерод-углеродный композиционный материал были ниже предела прочности покрытия. Компоненты покрытия и толщина слоев были выбраны в соответствии с их коэффициентами термического расширения, который плавно повышается от слоя на изделии к внешнему слою, повышается и жаростойкость покрытия с увеличением толщины слоев.
Пример
Были изготовлены образцы изделий из углерод-углеродного керамического материала с предложенным многослойным жаростойким покрытием с различным содержанием гексаборида лантана во внешнем слое.
2
3
2
6
На предварительно отожженный в вакууме при температуре 1200°C в течение 1,5 часов углерод-углеродный композиционный материал наносили ZrN на установке ионно-плазменного напыления на прямоточном катоде при токе 90 А, напряжении 1,5 кВ в течение 1,5 часов толщиной 20-30 мкм. Далее наносили сплав MeCrAlY из полых гранул указанного состава методом плазменного напыления в защитной атмосфере в аргон- водородной плазме толщиной 50-70 мкм. После этого наносили порошок AlO-TiO в смеси LaB фракцией 50-70 мкм и 60-160 мкм.
2
3
2
Гексаборид лантана требуемой фракции приготавливался грануляцией порошка гексаборида лантана размером 4,65 мкм с использованием связующего поливинилового спирта (ПВС) с подсушкой в течение 1 часа и последующим просеиванием через соответствующее сито 160 мкм с обкаткой и разделением по фракциям от 0 до 63 мкм и 63-160 мкм. Полученный гранулированный порошок механически смешивали с порошком AlO-TiO, загружали в бункер и наносили на слой MeCrAlY. В процессе нанесения гранулированного порошка происходило образование мелких капель, разводимых в стороны в плазменном потоке за счет выделения связующего, и получали равномерное покрытие с плотностью, близкой к плотности спеченной керамики. Высокая плотность покрытия способствует лучшей защите от агрессивных ионов кислорода, воздействию которых подвергается материал в процессе эксплуатации.
Результаты испытаний изделий приведены в таблице.
Как видно из таблицы, при содержании гексаборида лантана меньше 0,5% вес. покрытие выдерживает однократный цикл нагрев-охлаждение в течение 400 с при 2000°C, имеется сетка трещин с четкими краями. При 0,5% вес. гексаборида лантана покрытие выдерживает 8 циклов, сетка трещин имеет оплавленные края. При 1,5-3,0% вес. гексаборида лантана покрытие выдерживает более 15 циклов, сетка трещин не образуется, видны лишь отдельные следы, затекшие жидким стеклом. При содержании гексаборида лантана более 3,0% вес. покрытие выдерживает 30 циклов, поверхность покрытия гладкая стекловидная и не имеет трещин. При содержании гексаборида лантана более 5,5% вес. покрытие не выдерживает ни одного цикла работы из-за избытка стекловидной фазы, поверхность пронизана трещинами, имеются места раздува жидкого стекла до основы.
В процессе изучения покрытия также была определена прочность сцепления с основой при различном содержании модифицирующей добавки методом адгезионного царапания (скрабирования). Результаты показаны в таблице.
Проведенные испытания показали наличие фазы  и шпинели с лантаном в качестве атома замещения. Проведение испытания на износостойкость показало работоспособность покрытия.