ЖАРОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ
HEAT-RESISTANT COVER

Изобретение относится к области машиностроения, а именно - к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сталей и никелевых сплавов от окисления под действием высокотемпературной газовой коррозии в процессе эксплуатации.
Современные жаростойкие сплавы для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей отличаются сложным легированием и обладают высоким комплексом свойств, что требует обеспечения надежности их эксплуатации в конструкции авиакосмической и гражданской техники. С целью повышения сопротивляемости сплавов высокотемпературной газовой коррозии необходимо применение жаростойких эмалевых покрытий, которые предотвращают окисление поверхности металлов и препятствуют воздействию агрессивных сред.
Известен состав жаростойкого стеклокристаллического покрытия с ситалловой структурой (RU 2275341 С1, 20.12.2004), содержащий сухую смесь компонентов и воду в количестве 40-50 мас. % от сухой смеси компонентов. Сухая смесь компонентов содержит, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
15,10-55,00
СаО
3,00-12,00
ВаО
1,00-4,50
ZnO
1,00-9,00
TiO<sub>2</sub>
4,00-10,00
Li<sub>2</sub>O
3,50-10,00
высокоглиноземистый отход
Белокалитвенского комбината
18,50-47,40
глина
2,5-8,5
H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>
0,005-0,05
шлаковый отход
5,0-10,0
причем высокоглиноземистый отход Белокалитвенского комбината содержит, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
15,00
Al<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>-
71,66
СаО
1,76
MgO
5,51
MnO<sub>2</sub>
0,05
Na<sub>2</sub>O
1,58
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,93
K<sub>2</sub>O
2,20
TiO<sub>2</sub>
0,31.
Известен состав жаростойкого покрытия для защиты деталей газотурбинных двигателей (RU 2358925 С1, 08.11.2007), мас. %:
SiO<sub>2</sub>
21,0-36,6
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,0-6,7
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
34,0-40,0
ВаО
6,3-7,0
СаО
4,0-5,0
MgO
0,9-2,0
TiO<sub>2</sub>
0,5-0,9
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,5-5,0
SiB<sub>4</sub>
0,2-0,4
ZrO<sub>2</sub>
5,0-7,0
минеральное комплексное
соединение на основе SiO<sub>2</sub>
4,0-5,0,
2
причем минеральное комплексное соединение на основе SiO имеет следующий состав, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
56,25-58,5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
34,3-35,1
СаО
1,0-1,2
MgO
1,0-1,1
K<sub>2</sub>O
2,5-2,6
Na<sub>2</sub>O
0,6-0,7
TiO<sub>2</sub>
1,6-1,8
SO<sub>3</sub>
0,15-0,25
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8-1,0,
или, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
35,25-40,05
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
34,3-35,1
CaO
1,0-1,2
MgO
1,0-1,1
K<sub>2</sub>O
2,5-2,6
Na<sub>2</sub>O
0,6-0,7
TiO<sub>2</sub>
1,6-1,8
SO<sub>3</sub>
0,15-0,25
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8-1,0
SiB<sub>4</sub>
18,0-21,0.
Наиболее близким аналогом является жаростойкое покрытие (RU 2163897 С1, 01.06.1999) следующего состава, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
38,0-52,6
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
18,0-20,0
MgO
0,9-2,0
СаО
3,5-7,5
ВаО
7,0-9,0
TiO<sub>2</sub>
2,5-4,0
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6,0-7,5
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
4,0-5,5
минеральное комплексное соединение
на основе SiO<sub>2</sub>
5,5-6,5,
2
причем минеральное комплексное соединение на основе SiO имеет следующий состав, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
56,25-58,05
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
34,3-35,1
MgO
1,0-1,1
СаО
1,0-1,2
K<sub>2</sub>O
2,5-2,6
Na<sub>2</sub>O
0,6-0,7
SO<sub>3</sub>
0,15-0,25
TiO<sub>2</sub>
1,6-1,8
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8-1,0
или, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
35,25-40,05
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
34,3-35,1
СаО
1,0-1,2
MgO
1,0-1,1
K<sub>2</sub>O
2,5-2,6
Na<sub>2</sub>O
0,6-0,7
TiO<sub>2</sub>
1,6-1,8
SO<sub>3</sub>
0,15-0,25
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8-1,0
SiB<sub>4</sub>
18,0-21,0.
Недостатками известных жаростойких покрытий являются малые значения вязкости при температурах эксплуатации выше 1000°C, что приводит к быстрому окислению сплавов, малая прочность сцепления со сплавами на основе железа и никеля, недостаточная смачивающая способность при температурах формирования покрытий.
Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости, термостойкости, смачивающей способности поверхности образцов и прочности сцепления покрытия с подложкой за счет создания на поверхности жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия.
2
3
2
2
3
2
3
2
2
Технический результат достигается за счет того, что предложено жаростойкое покрытие, содержащее AlO, MgO, СаО, ВаО, TiO, BO, CrO, SiO и минеральное комплексное соединение на основе SiO, содержащее, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
56,25-58,05
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
34,3-35,1
MgO
1,0-1,1
СаО
1,0-1,2
K<sub>2</sub>O
2,5-2,6
Na<sub>2</sub>O
0,6-0,7
SO<sub>3</sub>
0,15-0,25
TiO<sub>2</sub>
1,6-1,8
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8-1,0,
2
5
2
2
8
при этом покрытие дополнительно содержит BaSiO и BaAlSiO при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
13,0-18,0
MgO
1,0-2,5
СаО
3,0-8,0
ВаО
5,0-9,0
TiO<sub>2</sub>
1,5-4,8
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,5-7,6
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,5-6,0
BaSi<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
5,0-10,0
BaAl<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>8</sub>
2,0-6,5
минеральное комплексное соединение
на основе SiO<sub>2</sub>*
2,5-6,0
SiO<sub>2</sub>
остальное.
2
2
3
2
2
5
2
2
8
Методами химического и рентгенофазового анализа установлено, что обжиг покрытия с введенными тугоплавкими эвтектическими композициями BaO·2SiO и BaO·AlO·2SiO при заявленном соотношении и содержании компонентов приводит к образованию боросиликатного стекла, армированного частицами тугоплавких соединений BaSiO и BaAlSiO, что повышает жаростойкость, термостойкость, прочность сцепления, смачивающую способность покрытия при температурах эксплуатации до 1200°C.
2
В качестве минерального комплексного соединения на основе SiO можно использовать, например, глину Часов-Ярскую ТУ 148-165-75, глину Веселовскую МРТУ 21-40-69 или глину Латнинскую ТУ 14-3-8-152-75.
Примеры осуществления
2
Для получения фритты жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия компоненты в соотношениях, указанных в таблице 1, помещали в фарфоровый барабан с алундовыми шарами при следующем массовом соотношении: компоненты/алундовые шары =1/1,5. Проводили помол компонентов в течение 2 часов на валковой мельнице при скорости вращения валков 100 об/мин и диаметре валков 10,3 см. Варку фритты проводили в камерной печи в алундовых тиглях. Затем приготовили шликер покрытия путем совместного размола фритты и минерального комплексного соединения на основе SiO (глина Часов-Ярская, ТУ 148-165-75) с добавлением 150 мл водопроводной воды в фарфоровом барабане на валковой мельнице в течение 50 часов. Готовый шликер в виде суспензии выгружали из барабана в полиэтиленовые емкости и отделяли мелющие тела. Производили выдержку суспензии шликера в емкостях в течение 3-х суток.
Шликер наносили краскораспылителем при условной вязкости шликера 15 Па·с на образцы сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 и на образцы сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171. Толщина покрытия составляла 80 мкм. Образцы с покрытием сушили при температуре 60°C в течение 1 часа. Обжиг образцов из сталей Х18Н10Т и ЭИ 657 с нанесенными предлагаемыми жаростойкими покрытиями и покрытием-прототипом производили при температуре 1150°C. Обжиг образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171 с нанесенным предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом производили при температуре 1250°C.
Свойства предлагаемого жаростойкого реакционноотверждаемого покрытия и его прототипа приведены в таблице 2.
Образцы сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 и образцы сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом подвергались испытаниям для определения жаростойкости, термостойкости, прочности сцепления и смачивающей способности при температурах 1000 и 1150°C для образцов из сталей Х18Н10Т и ЭИ 657, и 1200 и 1250°C для образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171.
Жаростойкость образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом оценивали путем нагрева при температуре 1000°C в течение 100 часов. Жаростойкость образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом оценивали путем нагрева при температуре 1200°C в течение 50 часов по ГОСТу 6130-71. Температурно-временные режимы испытаний (см. таблицу 2) для образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 и сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 соответствуют условиям эксплуатации.
Термостойкость образцов из сталей с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом определяли путем их термоциклирования по режиму 1000°C↔20°C. Термостойкость образцов из сплавов с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом определена путем их термоциклирования по режиму 1200°C↔20°C. 1 цикл составлял 5 минут.
Прочность сцепления покрытия и покрытия-прототипа определялась площадью скола покрытия с защищаемой поверхностью образца. Образцы сталей Х18Н10Т и ЭИ 657 и образцы сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171 нагревали в печи SNOL 30/1300 при температуре 1000 и 1200°C соответственно при выдержке 30 минут, после чего образцы выгружали из печи и подвергали удару металлическим шариком массой 5 г и диаметром 3 мм с высоты 50 см. Покрытие скалывалось с защищаемой поверхности в виде окружностей и прямоугольников. После удара замеряли площадь скола и вычисляли по формулам:
окр
2
S=2πr,
окр
где S - площадь окружности, r - радиус круга,
пр
S=L×b,
пр
где S - площадь прямоугольника, L - длина, b - ширина.
скола
Общая площадь сколовшегося покрытия S с защищаемой поверхности образца определялась суммарной площадью скола покрытия. Определение прочности сцепления образцов с покрытием осуществляли на копре марки В5113.303.
Критерием оценки смачивающей способности покрытия служил краевой угол смачивания поверхности образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657 при температурах 1000°C и 1150°C; и образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171 при температурах 1200°C и 1250°C. Для определения краевого угла смачивания из сухого шликера предлагаемого жаростойкого покрытия и покрытия-прототипа прессовали штабики диаметром 4 мм и высотой 2 мм. Изготовленные штабики устанавливали также на поверхность образцов из сталей Х18Н10Т и ЭИ 657, загружали в печь и нагревали при температурах 1000 и 1150°C в течение 0,5 часов. Изготовленные штабики устанавливали на поверхность образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602, ВЖ 171, загружали в печь и нагревали при температурах 1200 и 1250°C в течение 0,5 часов. После выгрузки образцы охлаждали на воздухе до комнатной температуры и, исходя из размеров площади растекшегося штабика, определяли краевой угол смачивания по формуле:
где Θ - краевой угол смачивания, град, d - диаметр растекания капли покрытия, мм.
Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2. Приведенные в таблице 2 экспериментальные данные соответствуют средним значениям, полученным из 3-х измерений жаростойкости, термостойкости, прочности сцепления и смачивающей способности.
Жаростойкость:
- образцов из стали Х18Н10Т с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1000°C выше в 3 раза по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из стали ЭИ 657 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1000°C выше в 3,5 раза по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из сплава ВЖ 98 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 6,8 раз по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из сплава ЭИ 602 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5,8 раз по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 6,6 раз по сравнению с покрытием-прототипом.
Термостойкость:
- образцов из стали Х18Н10Т с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1000°C выше в 3 раза по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из стали ЭИ 657 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1000°C выше в 3 раза по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из сплава ВЖ 98 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5 раз по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из сплава ЭИ 602 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5 раз по сравнению с покрытием-прототипом;
- образцов из сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°C выше в 5,2 раз по сравнению с покрытием-прототипом.
Прочность сцепления предлагаемого жаростойкого покрытия:
- со сталью Х18Н10Т составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;
- со сталью ЭИ 657 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;
- со сплавом ВЖ 98 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;
- со сплавом ЭИ 602 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца;
- со сплавом ВЖ 171 составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца.
При температуре 1000 и 1200°C происходит равномерное растекание жаростойкого покрытия по поверхности образцов из сталей Х18Н10Т, ЭИ 657. При температуре 1200°C происходит равномерное растекание покрытия по поверхности образцов из сплавов ВЖ 98, ЭИ 602 и ВЖ 171, что обеспечивает надежную защиту металлов при температурах эксплуатации.