СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ
PROCEDURE FOR APPLICATION OF CERAMIC COATING

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин с монокристаллической структурой из жаропрочных литейных никелевых сплавов.
Для продления ресурса работы турбин высокого давления применяют теплозащитные покрытия (ТЗП), обеспечивающие снижение температуры на поверхности пера охлаждаемых лопаток турбин на 30°С и более. Величина снижения температуры (теплозащитный эффект) определяется толщиной и удельной теплопроводностью внешнего керамического слоя.
Известен способ нанесения защитного покрытия с изменяющимся химическим составом и структурой по толщине, содержащего внешний керамический слой, в котором после нагрева подложки в камере напыления проводят нанесение покрытия электронно-лучевым испарением слитка из стабилизированного диоксида циркония, при этом поверхность слитка покрыта слоем, состоящим из смеси металлов и оксидов /патент ЕР № 0799904/.
Известен способ нанесения покрытия на изделие, включающий нанесение шероховатого жаростойкого слоя, получаемого методом высокоскоростного кислородного распыления и последующее осаждение керамического слоя методом плазменного распыления на воздухе и с контролируемым формированием множества вертикальных микротрещин /патент ЕР № 1939316/.
Недостатками известных способов являются высокая трудоемкость нанесения покрытия, недостаточное сцепление теплозащитного покрытия с подложкой и снижение величины теплозащитного эффекта в процессе эксплуатации лопатки с покрытием.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ нанесения покрытия на изделие, в котором после нагрева изделия, размещенного в камере напыления, содержащей кислород и инертный газ, до температуры 50-400°С, с помощью магнетронного распыления мишени проводят генерацию пара и осаждение металлического слоя, который затем обрабатывают высокочастотной плазмой для частичного окисления и формирования керамического покрытия. Перед осаждением керамического покрытия на поверхность изделия наносят жаростойкое покрытие /патент США № 6635124/.
Недостатком способа прототипа является недостаточно высокая термостойкость керамического покрытия при интенсивном нагреве и последующем охлаждении поверхности изделия с покрытием и снижение величины теплозащитного эффекта при выдержке в области рабочих температур.
Технической задачей изобретения является разработка способа нанесения покрытия с высокой термостойкостью и длительно сохраняющейся величиной теплозащитного эффекта при рабочих температурах изделия.
Техническая задача достигается тем, что предложен способ нанесения керамического покрытия, включающий размещение изделия в камере распыления, содержащей кислород и инертный газ, нагрев изделия, магнетронное распыление мишени в вакууме и формирование керамического покрытия на изделии, в котором нагрев изделия осуществляют до температуры 500-1000°С, а формирование керамического покрытия осуществляют в две стадии, при этом на первой стадии нагрев изделия совмещают с обработкой поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа, на второй стадии обработку поверхности изделия пучком ускоренных ионов совмещают с магнетронным распылением мишени, а после формирования керамического покрытия проводят термообработку изделия.
При этом предпочтительно обработку поверхности изделия осуществлять пучком ускоренных ионов инертного газа с энергией ионов 500-2500 эВ, а перед формированием керамического покрытия на поверхность изделия наносить слой никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и, по крайней мере, один редкоземельный металл, термообработку изделия проводить при температуре 900-1050°С в течение 4-6 ч.
2
3
Установлено, нагрев поверхности изделия до температуры 500-1000°С является необходимым условием для формирования керамического покрытия со столбчатой структурой, которая является наиболее оптимальной в условиях интенсивных теплосмен, и препятствует его скалыванию из-за разных величин коэффициентов термического расширения и модулей упругости внешнего керамического и внутреннего металлического покрытий, входящих в состав теплозащитного покрытия. Введение операции обработки поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа в присутствии кислорода перед магнетронным распылением мишени способствует повышению адгезии керамического покрытия к подложке, за счет формирования на поверхности под керамическим покрытием плотной тонкой оксидной пленки на основе соединения α-AlO. Совмещение распыления мишени с обработкой поверхности изделия, на которой формируется керамическое покрытие, пучком ускоренных ионов инертного газа позволяет получать при осаждении чередующиеся слои керамики различной плотности и структуры. Наличие в керамическом покрытии границ раздела, параллельных поверхности покрываемого изделия, позволяет сохранять более длительное время величину теплозащитного эффекта при рабочих температурах.
2
3
2
3
Дополнительное нанесение на поверхность изделия слоя жаропрочного никелевого сплава перед формированием керамического покрытия может способствовать более длительному сохранению под керамическим покрытием плотной тонкой оксидной пленки на основе соединения α-AlO. Слой жаропрочного никелевого сплава не содержит тугоплавких элементов, характерных для жаропрочных литейных никелевых сплавов, которые при окислении образуют оксиды, разрыхляющие и увеличивающие толщину пленки на основе соединения α-AlO, что приводит к снижению адгезии керамического покрытия к подложке в условиях частых теплосмен.
2
3
Перед формированием керамического покрытия на поверхность изделия предпочтительно наносить слой никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и, по крайней мере, один редкоземельный металл. В процессе эксплуатации при высоких температурах сплавы этой системы в связи с изменением их элементного состава сохраняют на поверхности пленку на основе соединения α-AlO в широком диапазоне изменения концентрации Аl в слое жаростойкого Ni сплава.
Примеры осуществления
Пример 1. На плоские образцы из жаропрочного никелевого сплава типа ЖС36 (сплав системы Ni-W-Co-Al-Cr-Nb-Mo-Ti-Re) наносили жаростойкое покрытие из никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и редкоземельный металл иттрий на установке МАП-2 с использованием сплавов СДП-2 и ВСДП-18 при токах разряда вакуумной дуги 500-700 А и электрических потенциалах подложки 10-300 В по серийной технологии ФГУП «ВИАМ».
Керамическое покрытие наносили на установке УОКС-2 в две стадии. Изделия размещали в камере распыления установки, содержащей по крайней мере две мишени из сплава Zr-Y(6-8)%. Питание магнетронных испарителей осуществляли от инверторного источника тока с рабочим напряжением до 600 В, током до 30 А с использованием дуального электрического ключа, переключающего полярность питающего напряжения на распыляемых мишенях с частотой до 40 кГц.
Для обработки поверхности детали пучком ионов инертного газа аргона с энергией ионов 500-2500 эВ использовали ускоритель холловского типа с замкнутым дрейфом электронов с предельными параметрами разряда - 3000 В, 5 А.
После вакуумирования камеры установки в рабочий объем подавали смесь кислорода с аргоном и на первой стадии проводили нагрев образцов радиационным способом при одновременной обработке поверхности образцов пучком ускоренных ионов аргона с энергией 500 эВ. По достижении температуры поверхности образцов 500°С переходили ко второй стадии процесса, начиная магнетронное распыление мишеней и нанесение керамического покрытия, со скоростью до 20 мкм/ч при напряжении разряда 480 В и токе 22 А, совмещенное с обработкой поверхности образцов пучком ускоренных ионов аргона с энергией 500 эВ. После нанесения керамического покрытия толщиной 20 мкм процесс прерывался. Затем образцы с теплозащитным покрытием подвергали термообработке - отжигали в печи с резистивным нагревом при температуре 1000°С в течение 4 ч.
Для определения термостойкости керамического покрытия были проведены термоциклические испытания образцов. Цикл включал в себя выдержку образцов при температуре 1100°С в течение 55 мин и охлаждение в течение 5 мин в струе сухого сжатого воздуха при давлении 0,2 МПа до комнатной температуры. После каждых 20 циклов испытаний проводили визуальный осмотр состояния поверхности образцов с ТЗП. При скалывании с поверхности 30% керамического покрытия образец снимали с испытаний.
1
2
Определение величины теплозащитного эффекта проводили в лабораторной установке на базе нагревательной электропечи. Плоский образец устанавливали в специальной диафрагме, замурованной в стенке печи таким образом, что поверхность с керамическим покрытием располагалась внутри муфеля печи. Внешнюю поверхность образца без покрытия, расположенную вне печи, обдували сжатым воздухом давлением 0,2 МПа. Теплозащитный эффект определяли сразу после установки образца на испытания - ΔT и через 50 ч выдержки образца - ΔТ, как разность температур между нагреваемой и охлаждаемой поверхностями образца при температуре нагрева печи 1150°С
Пример 2, 3 аналогичны примеру 1, но температура поверхности образцов составляла 900 и 1000°С, а обработку поверхности образцов проводили пучком ускоренных ионов аргона с энергией 1500 и 2500 эВ.
Пример 3. Пример аналогичен примерам 1 и 2, но температура поверхности образцов составляла 1000°С, а обработку поверхности образцов проводили пучком ускоренных ионов аргона с энергией 2500 эВ.
Пример 4 был выполнен по способу прототипа.
Результаты испытаний на термостойкость и определения теплозащитного эффекта от применения ТЗП, нанесенных в соответствии с предлагаемым способом и способом прототипа, представлены в таблице.
Таблица
№ примера
Энергия ионов аргона, эВ
Температура нагрева поверхности, °С
Количество циклов до потери 30% площади керамического покрытия
ΔT<sub>1</sub>, °C
ΔT<sub>2</sub>, °C
1
500
500
1080
39
25
2
1500
900
1320
49
44
3
2500
1000
1240
42
36
4 (прототип)
-
250
760
34
19
Как видно из таблицы, при нанесении керамического покрытия на поверхность образцов в соответствии с предлагаемым способом термостойкость керамического покрытия к скалыванию повышается в 1,4-1,7 раз в сравнении с прототипом. А снижение величины теплозащитного эффекта не превышает 10-15%, в то время как для прототипа составляет более 40%. Аналогичные результаты были получены на образцах из сплавов ЖС32, ЖС6У, ЖС26.
Применение изобретения в производстве рабочих лопаток турбин позволит увеличить ресурс работы турбин высокого давления ГТД различного назначения в 1,5-2 раз, а также снизить трудоемкость технологического процесса нанесения теплозащитных покрытий.