СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКЕ ТУРБИНЫ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
PROCEDURE FOR FORMING HEAT SHIELDING COATING ON TURBINE BLADE OF HEAT RESISTANT NICKEL ALOYS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения защитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин и в особенности газовых турбин авиадвигателей.
Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические ГТУ и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, относятся рабочие лопатки турбины. Турбинные лопатки работают в достаточно жестких условиях: высокие температуры, агрессивные среды (кислород, сера, окислы ванадия и другие элементы), значительные знакопеременные механические нагрузки и резкие теплосмены. Существующие тенденции совершенствования турбомашин приводят к еще большему ужесточению указанных условий эксплуатации и к повышению стоимости деталей. Все это требует применения на лопатках турбин более эффективных защитных покрытий.
Одним из путей повышения температуры в турбине при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП). Керамические ТЗП при их достаточной толщине могут ощутимо снизить теплоприток к основному материалу охлаждаемой лопатки и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.
2
2
3
Наиболее перспективным материалом для формирования теплозащитного слоя ТЗП является керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO·YO). Для обеспечения адгезии керамического слоя и защиты основного материала детали от окисления ТЗП имеет жаростойкий подслой.
Известен способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины (Патент РФ №2325467, МПК С23С 4/10. Способ получения создающего термический барьер покрытия / Я.Вигрен, М.Ханссон / Вольво аэро корп. / 2008), включающий предварительную обработку поверхности лопатки и нанесение связующего подслоя, жаростойкого слоя системы MeCrAlY и теплозащитного керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
Известен также способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины (Патент США №4904542 "Многослойное коррозионно-стойкое покрытие"), включающий газотермическое нанесение многослойного покрытия, состоящего из чередующихся керамических и металлических слоев. Также известно многослойное высокотемпературное покрытие, состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящая в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. Материал металлических слоев выбирается исходя из характеристик его стойкости к эрозии. Это ведет к тому, что при наличии перепадов температуры как по толщине, так и по его поверхности в материале металлического слоя возникнут термические напряжения, которые будут переданы керамике, имеющей низкую прочность на растяжение.
2
2
3
2
2
3
2
2
3
Наиболее близким по технической сущности является способ формирования теплозащитного покрытия на лопатке турбины из жаропрочных никелевых сплавов, включающий подготовку поверхности пера лопатки, формирование на ней первого жаростойкого слоя, нанесение второго жаростойкого слоя и нанесение внешнего теплозащитного слоя ZrO-YO на поверхность пера лопатки (патент РФ №2078148). Известный способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины включает также предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония, стабилизированного 7-9 мас.% оксида иттрия (ZrO·7% YO), и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиг (Патент РФ №2078148). Известный способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины включает также предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония, стабилизированного 7-9 мас.% оксида иттрия (ZrO·7% YO), и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиги.
Известен способ подготовки поверхности детали под нанесение многослойного покрытия на металлические изделия методом катодного распыления, включающий ионную очистку и/или модификацию поверхности изделия (Патент РФ №2228387, МПК С23С 14/06. Способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия. Опубл. 2004 г.). Однако функциональным назначением ионно-имплантационной обработки поверхности в данном случае не является повышение жаростойкости слоя.
Основными недостатками прототипа являются низкая жаростойкость подслоя, а также недостаточная выносливость и циклическая прочность деталей с покрытием, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и установок.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение жаростойкости подслоя при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.
2
2
3
2
3
2
10
20
2
-3
-4
-3
-4
-3
-4
1. Технический результат достигается тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия на лопатке турбины из жаропрочного никелевого сплава, включающем подготовку поверхности пера лопатки под ионно-имплантационную обработку, ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки, формирование на ней первого жаростойкого слоя, нанесение второго жаростойкого слоя и нанесение внешнего теплозащитного слоя ZrO-YO на поверхность пера лопатки, в отличие от прототипа ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки производят ионами, выбранными из одного из следующих элементов: Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Gr, Si или их сочетанием при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, формирование первого жаростойкого слоя осуществляют из сплава, вес.%: Si - от 4,0 до 12,0, Y - от 1,0 до 2,0, Al - остальное, толщиной от 10 до 70 мкм вакуумным ионно-плазменным, или электронно-лучевым, или магнетронным методом с последующим диффузионным отжигом при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10до 10 мм рт.ст., нанесение второго жаростойкого слоя осуществляют из сплава, вес.%: Cr - от 18 до 30, Al - от 5 до 13, Y - от 0,2 до 0,65, Ni - остальное, толщиной от 8 до 60 мкм вакуумным ионно-плазменным, или электронно-лучевым, или магнетронным методом, вновь подвергают отжигу в вакууме от 10до 10 мм рт.ст. при температуре 930-960°С в течение от 2 до 5 часов, затем наносят дополнительный подслой из сплава, вес.%: Cr - от 18 до 30, Al - от 5 до 13, Y - от 0,2 до 0,65, Ni - остальное, толщиной от 5 до 20 мкм газотермическим методом, теплозащитный слой наносят из сплава, вес.%: YO - от 5 до 9, ZrO - остальное, толщиной от 50 до 300 мкм газотермическим методом, после чего лопатку с нанесенными слоями подвергают отжигу при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10до 10 мм рт.ст.
Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия на лопатке турбины из жаропрочного никелевого сплава используют следующие приемы: перед нанесением второго жаростойкого слоя проводят ионную имплантацию ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием; нанесение первого жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нанослоев; нанесение второго жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нанослоев; перед нанесением первого жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; перед нанесением второго жаростойкого слоя на поверхность первого жаростойкого слоя дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.
Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия на лопатке турбины из жаропрочного никелевого сплава в качестве газотермического метода нанесения дополнительного подслоя и керамического слоя используют плазменный или газопламенный методы.
В отличие от прототипа (в котором вначале на поверхности лопатки формируется слой на основе никеля) в предлагаемом способе на поверхности лопатки вначале формируется слой на основе алюминиевого сплава, при этом в предлагаемом способе формирование первого слоя включает ионную имплантацию, нанесение слоя и совместный диффузионный отжиг в вакууме образованной композиции. При этом для полноценного формирования первого слоя принципиальным являются вышеперечисленные параметры вакуумного диффузионного отжига. Далее, на сформированный после диффузионного отжига первый слой методом ионно-плазменной технологии наносится жаростойкий слой на основе никеля, который также подвергается вакуумному отжигу, но при более низких температурах. Основной функцией второго вакуумного отжига является снятие остаточных напряжений в следующей сформированной композиции, состоящей из первого и второго слоев. Состав и состояние второго слоя позволяют нанести на него газотермическим методом подслой близкого ему состава с последующим нанесением на него газотермическим методом керамического теплозащитного слоя и диффузионным отжигом полученной композиции с образованием теплозащитного покрытия на лопатке. Таким образом, функцией первого (имплантированный и вакуумный ионно-плазменный слой) и второго слоев покрытия является герметизация поверхности лопатки от воздействия агрессивной среды, дополнительной функцией второго слоя - обеспечение адгезии газотермического металлического слоя, а функциями последнего являются обеспечение адгезии керамического слоя, создание демпфирующего слоя между жаростойкими и теплозащитным слоями, а также «ловушки» для образующихся в процессе эксплуатации окислов. Объединение различных методов нанесения покрытия (вакуумного и газотермического) позволяет создать композицию, сочетающую хорошую адгезию слоев, барьерный и демпфирующие характеристики покрытия, высокую жаростойкость и термостойкость, а также усталостную прочность лопаток с покрытием.
Для оценки стойкости лопаток газовых турбин с теплозащитными покрытиями, полученными по известному и предлагаемому способам, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения покрытий на образцы из никелевых и кобальтовых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000) приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ группы образцов
Ионы, имплантируемые в основу
Ионы, имплантируемые в покрытие
Внутренний слой
Внешний слой
Дополнительный слой на поверхности лопатки
Дополнительный слой на внутреннем слое
1
2
3
4
5
6
7
(Прот.)
-
-
Co - 20%, Cr - 30%, Al - 13%, Y - 0,6%, Ni - ост.
Si - 12%, Ni - 10%, В - 1,6%, Al - ост.
-
-
1
Nb
Y+Pt
Cr - 18%, Al - 5%,Y - 0,2%, Ni - ост.
Si- 4,0%, Y - 1,0%, Al - ост.
Nb, толщ. 0,1 мкм
Nb, толщ. 0,1 мкм
2
Yb
Y+Cr
3
Yb+Nb
Y+Cr
Pt, толщ. 0,1 мкм
4
Pt
Nb
5
Y
Nb
Cr - 30%, Al - 13%, Y - 0,65%, Ni - ост.
Si - 12,0%,Y - 2,0%, Al - ост.
Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
Nb, толщ. 2,0 мкм
6
Y+Pt
Yb
7
Y+Cr
Yb
Nb, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 0,1 мкм
8
Y+Cr
Pt
9
Hf+Nb
Y
Cr - 22%, Al - 11%, Y - 0,5%, Ni - ост.
Si - 6,0%,Y - 1,5%, Al - ост.
Pt, толщ. 0,1 мкм
Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
10
La+Nb+Y
Cr+Si
11
Yb+Nb
Yb+Nb
Cr, толщ. 0,1 мкм
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
12
Si+Cr
Hf+Nb
13
Y
Y
Cr - 24%, Al - 8%, Y - 0,4%, Ni - ост.
Si - 8,0%,Y - 1,0%, Al - ост.
Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 2,0 мкм
14
Pt
Nb
15
Cr+Si
Pt
Pt, толщ. 2,0 мкм
Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
16
Nb
Cr+Si
17
La
Hf
Cr - 26%, Al - 10%, Y - 0,3%, Ni - ост.
Si - 10%, Y - 2,0%, Al - ост.
Cr, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 0,1 мкм
18
La
La
19
Yb+Nb
Yb
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 2,0 мкм
20
Yb
Yb
10
20
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см (диффузионный отжиг в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч). Материал слоев и схема их чередования - согласно таблице 1.
Толщины слоев составляли: по способу-прототипу первый слой толщиной 10 мкм, 40 мкм, 70 мкм и 80 мкм, второй слой - 5 мкм, 8 мкм, 60 мкм и 70 мкм. При формировании по предлагаемому способу толщина первого жаростойкого слоя составляла 10 мкм, 40 мкм, 70 мкм и 80 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составлял от 3 до 200; толщина второго жаростойкого слоя составляла 5 мкм, 8 мкм, 60 мкм и 70 мкм, а количество микро- или нанослоев - от 3 до 1000.
Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из никелевых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате проведенных испытаний было установлено следующее:
-1
условный предел выносливости (σ) лопаток составляет:
1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа;
2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 260-290 МПа (таблица 2).
Таблица 2
№ группы образцов
Никелевые сплавы, МПа
№ группы образцов
Никелевые сплавы, МПа
1
260-285
11
275-290
2
265-290
12
280-300
3
265-290
13
270-295
4
270-300
14
275-290
5
280-295
15
265-290
6
275-290
16
280-300
7
260-290
17
280-295
8
270-300
18
270-280
9
280-295
19
265-280
10
275-290
20
280-300
2
Изотермическая жаростойкость покрытий оценивалась на образцах диаметром d=10 мм и длиной l=30 мм. Образцы покрытиями помещались в тигли и выдерживались на воздухе при температуре Т=1200°С. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялось путем визуального осмотра через каждые 50 часов испытаний при температуре 1200°С. Взвешивание образцов вместе с окалиной производилось через 500 и 1000 ч испытаний, при этом определялась величина удельного прироста массы образца на единицу его поверхности по сравнению с исходным весом ΔР, г/м. Полученные результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3
№ группы образцов
Циклическая жаростойкость, цикл.
Изотермическая жаростойкость,
τ, ч
ΔР, г/м<sup>2</sup>
500 ч
1000 ч
1
2
3
4
5
0
550
350
7,4
13,1
1
750
650
6,1
10,4
2
700
600
5,8
9,8
3
800
700
6,3
10,1
4
900
750
4,4
8,8
5
850
700
5,9
9,1
6
900
850
3,6
7,9
7
950
850
3,4
7,8
8
700
600
6,2
9,9
9
900
850
4,1
8,7
10
800
700
5,7
10,2
11
900
800
4,5
8,8
12
750
650
5,6
9,7
13
750
600
5,8
10,1
14
900
800
4,3
9,9
15
850
750
4,9
9,4
16
900
850
4,4
8,8
17
800
700
5,1
8,9
18
800
650
5,4
8,7
19
850
700
5,3
9,3
20
800
700
5,7
9,9
Стойкость покрытий к теплосменам оценивалась по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл термосмены представлял собой нагрев образца до 1150°С, температурную выдержку в течение 15 мин и охлаждение в воде до температуры 20°С. После каждого цикла теплосмены по наличию отслоений оценивалась стойкость покрытия. Данные по сравнительным испытаниям на термостойкость показали, что в среднем количество теплосмен до разрушения у покрытия-прототипа составило 36 циклов, а у покрытий, нанесенных по предлагаемому способу, - от 47 до 85 циклов.
10
20
2
-3
-4
-3
-4
-3
-4
2
2
3
2
3
2
Повышение жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3) указывает на то, что при применении следующих вариантов нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок: подготовка поверхности пера лопатки под ионно-имплантационную обработку, ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки ионами, выбранными из одного из следующих элементов: Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см; формирование на лопатке первого жаростойкого слоя состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, причем первый жаростойкий слой толщиной от 10 до 70 мкм наносят вакуумным ионно-плазменным, или электронно-лучевым, или магнетронным методом с последующим диффузионным отжигом при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10 до 10 мм рт.ст., нанесение второго жаростойкого слоя вакуумным ионно-плазменным, или электронно-лучевым, или магнетронным методом толщиной от 8 до 60 мкм состава Cr - от 18% до 30%, Al - от 5% до 13%, Y - от 0,2% до 0,65%, Ni - остальное; отжиг в вакууме от 10 до 10 мм рт.ст. при температуре 930-960°С в течение от 2 до 5 часов; нанесение газотермическим методом дополнительного подслоя толщиной от 5 до 20 мкм состава Cr - от 18% до 30%, Al - от 5% до 13%, Y - от 0,2% до 0,65%, Ni - остальное, внешнего теплозащитного слоя ZrO-YO и нанесение на него газотермическим методом керамического слоя толщиной от 50 до 300 мкм состава YO-5…9 вес.%, ZrO - остальное; отжиг лопатки с нанесенными слоями при температуре 1000-1050°С в течение от 2 до 5 часов в вакууме от 10 до 10 мм рт.ст., а также использование дополнительных приемов: перед нанесением второго жаростойкого слоя проводят ионную имплантацию ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием; нанесение первого жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нанослоев; нанесение второго жаростойкого слоя чередуют с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нанослоев; перед нанесением первого жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; перед нанесением второго жаростойкого слоя на поверхность первого жаростойкого слоя дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; в качестве газотермического метода нанесения дополнительного подслоя и керамического слоя используют плазменный или газопламенный методы, - позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышения жаростойкости подслоя при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.