МНОГОСЛОЙНОЕ ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ДЕТАЛЯХ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
MULTI-LAYER HEAT-RESISTANT COATING ON PARTS OF HEAT RESISTANT ALLOYS

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно, к многослойным композиционным покрытиям на основе металлических и керамических порошков, и может быть использовано в машиностроении для защиты от термических воздействий деталей из жаропрочных сплавов.
От возможности повышения температуры работы деталей машин зависит повышение эффективности современного технологического оборудования. Детали, работающие в условиях экстремально высоких температур и воздействия содержащих абразивы и агрессивные химические агенты сред, обычно изготавливают из жаропрочных никельсодержащих сплавов, но их ресурс в настоящее время исчерпан, т.к. достигнутые в современных изделиях температуры приводят к быстрому разрушению поверхности за счет абразивного износа, оксидирования или плавления поверхности деталей. Керамика, на применение которой в качестве замены жаропрочных металлических сплавов рассчитывали многие исследователи, пока не может конкурировать с металлами из-за неудовлетворительных показателей пластичности, теплопроводности, трещиностойкости (Бендовский Е.Б. Керамические детали для двигателя внутреннего сгорания // Новые огнеупоры. 2013. №8. С.51-54). В этих условиях повышение эксплуатационных характеристик может быть достигнуто только созданием на поверхности изделий теплозащитных покрытий (ТЗП).
Современные ТЗП - это, в общем случае, двухслойные системы, которые состоят из внутреннего устойчивого к коррозии антиокислительного слоя (соединительного покрытия) и изолирующего керамического внешнего слоя. В качестве керамического внешнего слоя часто используют диоксид циркония, стабилизированный 7-8% (масс.) оксида иттрия. В многочисленных обзорах (Грешта В.П. Применение керамических покрытий для защиты деталей ГТД, работающих в условиях экстремально высоких температур // Вестник двигателестроения. 2015 №1. С.168-170; Смышляева Т.В., Порозова С.Е., Максимов Д.А. Перспективные материалы теплозащитных покрытий для деталей авиационных газотурбинных двигателей (Обзор) // Конструкции из композиционных материалов. 2020. №1 (157). С.26-36; Кашин Д.С., Стехов П.А. Современные теплозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого напыления (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. №2 (62). С.84-90) рассмотрены различные составы ТЗП и технологии их получения, используемые как в России, так и за рубежом. В настоящее время наиболее традиционными методами нанесения жаростойких покрытий являются электронно-лучевой и ионно-плазменный.
2
2
Известно комбинированное NiCrCoAlY/ZrO теплозащитное покрытие, полученное методом газопламенного напыления (Структура и физико-механические свойства жаростойких газопламенных покрытий NiCrCoAlY/ZrO для турбинных лопаток газотурбинных двигателей / Ю.П. Тарасенко, И.Н. Царева, О.Б. Бердник, Я.А. Фель // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. №3(27). С.164-169).
Недостатком формируемого покрытия, в частности, является значительное термическое воздействие высокоэнергетического плазменного потока, в результате которого происходит оплавление граней частиц керамического порошка, а фазовый состав керамики, образующей внешнее покрытие изменяется, что приводит к снижению трещиностойкости.
Известно многослойное покрытие (патент РФ №2242535, С23С 24/08, B22F 7/04, B22F 3/14), включающее слой меди толщиной 1,5-2,5 мм, содержащий 15-23 масс. % упрочняющих частиц, слой меди толщиной 100-200 мкм и слой из смеси порошков графита и оксида алюминия.
Недостатком известного покрытия является то, что покрытие не обладает высокой жаростойкостью, поскольку в качестве связующего используют медь. В то же время, получение покрытия не требует и применения нескольких типов высокоэнергетического оборудования.
Перспективной технологией консолидации порошковых материалов является технология искрового плазменного спекания (ИПС), основанная на пропускании через спекаемый материал мощных импульсов постоянного тока, приводящих к активации поверхности порошка и спеканию образца. К основным преимуществам технологии ИПС относятся короткое время рабочего цикла, относительно низкие температуры спекания, минимальные рост зерна и влияние на микроструктуру.
2
2
3
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является многослойное теплозащитное покрытие (патент №2375499, C23F 17/00, С23С 14/16, С23С 4/08, С23С 4/10, опубл. 10.12.2009), включающее связующий слой, содержащий MeCrAlY (Me-Ni и/или Со), жаростойкий защитный слой, содержащий MeCrAlY (Me-Ni и/или Со) и керамический слой ZrO-YO. Данное покрытие принято за прототип.
Недостатком известного покрытия, принятого за прототип, является то, что для получения известного покрытия необходимо использования оборудования нескольких типов, что существенно удорожает процесс получения покрытия.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в получении многослойного теплозащитного покрытия с применением искрового плазменного спекания, позволяющего избежать изменения фазового состава внешнего керамического слоя и провести спекание многослойного покрытия в одну стадию за короткое время рабочего цикла и при относительно невысокой температуре.
Указанный технический результат достигается тем, что многослойное покрытие состоит из связующего слоя, содержащего сплав MeCrAlY (Me-Ni и/или Co); композиционных слоев сплава MeCrAlY (Me-Ni и/или Co), содержащих последовательно 14-18 и 28-32% (масс.) стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония, внешний теплозащитный слой состоит из стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония, слои наносят из порошковой шихты методом утряски, а дальнейшее уплотнение и спекание многослойного покрытия проводят методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С.
Содержание керамического порошка в композиционных слоях последовательно 14-18 и 28-32% (масс.) обеспечивает плавное снижение термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) от металлического связующего слоя до защитного керамического слоя, что необходимо для снижения риска отслоения покрытия в процессе эксплуатации.
Содержание керамического порошка менее или более 14-18 и 28-32% (масс.) не позволяет обеспечить необходимое плавное снижение ТКЛР.
Проведение уплотнения и спекания многослойного покрытия методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С позволяет получить многослойное спеченное покрытие, слои которого составляют единое целое. При более низкой температуре не удается достичь спекания керамического слоя. А проведение указанной операции при температуре выше 1070°С нецелесообразно.
Возможность проведения спекания не только связующего и композиционных слоев, но и керамического покрытия при такой относительно низкой температуре базируется на использовании нанопорошка диоксида циркония (Синтез нанокристаллического диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, для низкотемпературного спекания / В.Б. Кульметьева, С.Е. Порозова, Е.С. Гнедина // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. №2. С.3-9) и метода искрового плазменного спекания.
Заявляемое покрытие иллюстрируется материалом, представленным на фиг.1-3.
На фиг.1 показан общий вид спеченного многослойного покрытия на детали (микрошлиф, травление): 1 - связующий слой; 2 - композиционные слои; 3 - керамический внешний слой.
На фиг.2 - КР-спектр керамического внешнего слоя покрытия после искрового плазменного спекания.
На фиг.3 - диаграмма послойного распределения ТКЛР.
Обозначения: С - связующее; К - керамика; С+К - их смеси.
Многослойное покрытие состоит из связующего слоя 1, содержащего сплав MeCrAlY (Me-Ni и/или Со); композиционных слоев 2 сплава MeCrAlY (Me-Ni и/или Со), содержащих последовательно 14-18 и 28-32% (масс.) стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония. Керамический внешний слой 3 состоит из стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония, слои наносят из порошковой шихты методом утряски, а дальнейшее уплотнение и спекание многослойного покрытия проводят методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С.
Спекание проводили в печи Dr. Sinter SPS-1050 (SPS Syntex Inc., Япония) по следующему режиму: нагрев при давлении 15 МПа со скоростью 80-100 град./мин. до 1050°С, подъем давления до 30 МПА и выдержка в течение 5 мин. Спекание проводили в вакууме с остаточным давлением 10-50 Па.
В результате получено спеченное многослойное покрытие (фиг.1).
-1
Фазовый состав исходного порошка и керамического покрытия определяли методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР-спектроскопии) на многофункциональном Фурье-спектрометре Senterra (Bruker, Германия) при длине волны излучающего лазера 532 нм. По данным КР-спектроскопии фазовый состав покрытия соответствует фазовому составу порошка (фиг.2). Внешний слой покрытия после спекания содержит диоксид циркония тетрагональной модификации. Сдвиг пика при 638 см указывает, на одновременное присутствие кубической модификации. Пики моноклинной модификации не обнаружены (Nanocrystalline zirconia-yttria system-a Raman study / A. Ghosh, A.K. Suri, M. Pandey, S. Thomas, T.R. Rama Mohan, B.T. Rao // Materials Letters 60 (2006) 1170-1173. doi: 10.1016/j.matlet.2005.10.102).
-6
Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) определяли с помощью термомеханического анализатора Sentsys Evolution (Setaram, Франция). Показано, что в предложенном варианте состава покрытий ТКЛР плавно снижается от металлического связующего слоя до керамики (фиг.3). Как известно из практики эмалирования (Петцольд Α., Пешманн Г. Эмаль и эмалирование: справочное издание. Перевод с нем. М.: Металлургия, 1990), изменения около 1×10К некритичны для процесса отслоения покрытия.
Термоциклирование спеченных образцов ТЗП на Инконель 625 и подслоями с различным содержанием YSZ проводили в муфельной печи на воздухе. Образцы помещали в печь, разогретую до 1100°С, выдерживали в течение 10 мин, затем вынимали из печи и охлаждали на воздухе до комнатной температуры в течение 30 мин. После каждого цикла визуально осматривали поверхность с целью определения появления и развития трещин на внешнем керамическом слое. Общее количество выполненных циклов - 45. Формирование сетки трещин не наблюдали вплоть до окончания испытаний. По результатам металлографического анализа доля трещин относительно общей поверхности ТЗП не превышает 10%.
Таким образом, изобретение позволяет получить многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов.