СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ ИЗ БЕЗУГЛЕРОДИСТОГО ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА
METHOD OF COATING MANUFACTURING ON PART OUT OF CARBON-FREE HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOY

Изобретение относится к металлургии, в частности к формированию на деталях из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов химико-термической обработкой комбинированных покрытий для защиты от газовой коррозии в условиях высоких температур (от 900°C), и может быть использовано в авиадвигателестроении, судостроении, танкостроении и других отраслях промышленности, где используют детали из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов.
К безуглеродистым жаропрочным никелевым сплавам относят сплавы с содержанием углерода не более 0,05% (А.В. Логунов. Тенденции разработки и применения Ni-суперсплавов для лопаток ГТД в современных и перспективных силовых установках авиационного назначения // Технологии легких сплавов, №4, 2011 г., с.11-17).
С одной стороны, применение данных сплавов для деталей, работающих в условиях повышенной температуры, позволяет повысить температуру на поверхности детали (изделия), в частности, использование данных сплавов для турбинных лопаток газотурбинных двигателей позволяет повысить температуру рабочего газа перед турбиной и, как следствие, снизить удельную массу двигателя и удельный расход топлива при одновременном увеличении удельной тяги, а с другой стороны, особенности элементного состава безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе приводят при воздействии высоких температур (выше 900°C) к формированию в поверхностном слое детали под покрытием на основе алюминия, так называемой вторичной реакционной зоны (ВРЗ), содержащей ТПУ-фазы, снижающие характеристики жаропрочности сплавов и долговечности изготавливаемых из них деталей. В связи с этим, на поверхности деталей (изделий) формируют барьерные покрытия, снижающие интенсивность образования ВРЗ (С.А. Мубояджян и др. Высокотемпературные жаростойкие покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных покрытий. Авиационные материалы и технологии, №1, 2013, 17-20 с.).
Известен способ защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий насыщение поверхности внутренней полости лопатки углеродом путем заполнения внутренней полости лопатки порошковой смесью или газовой средой, нагрева и выдержки лопатки с заполненной внутренней полостью и последующее нанесение диффузионного алюминидного покрытия (см. патент RU №2349678, кл. С23С 10/48, опубл. 27.10.2008).
Несмотря на то, что покрытие, полученное данным способом, позволяет эффективно защитить только внутреннюю полость детали от высокотемпературного окисления, отсутствие защиты от высокотемпературного окисления внешней (наружной) поверхности детали не позволяет обеспечить высокую долговечность лопаток во время работы двигателя. Кроме того, процесс насыщения поверхности углеродом в газовой среде с углеродсодержащим газом, например метаном, отличается низкой стабильностью, сопровождается неизбежным окислением поверхности, формированием слоя пиролитического графита в виде сажи, который предотвращает насыщение углеродом. Также, данный способ достаточно трудоемок из-за многочисленных операций, включающих подготовку поверхности к насыщению (обработка поверхности водной суспензией, содержащей электрокорунд, промывка полости водой под давлением до полного удаления электрокорунда, сушка и пр.).
Технический результат заявленного изобретения - снижение трудоемкости и повышение долговечности детали.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения покрытия на детали из безуглеродистого жаропрочного никелевого сплава, включающем нанесение первого покрытия на поверхность детали и нанесение на поверхность первого покрытия второго покрытия на основе алюминия, согласно изобретению, первое покрытие, содержащее, мас.%: хром 4-25; алюминий 2-12; тантал 0,2-20; вольфрам 0,5-9,0; кобальт 8-10; гафний 0,2-3,0; кремний 0,1-5,0; углерод 0,1-0,4; иттрий 0,001-5,0; никель - остальное до 100%, наносят конденсационным методом на наружную поверхность детали, а второе покрытие наносят диффузионным или конденсационным методами.
Основное назначение хрома в составе первого барьерного покрытия состоит в формировании карбидов в барьерном покрытии, которые тормозят диффузию элементов на границе сплав-покрытие и обеспечивают необходимую жаростойкость при сравнительно невысоком содержании алюминия. С этой целью содержание хрома в сплаве должно быть не менее 4%. Такое содержание хрома обеспечивает достаточно высокие барьерные свойства покрытия, прежде всего на безуглеродистых никелевых сплавах, предотвращает рассасывание покрытия и формирование ТПУ-фаз при высокотемпературном окислении. В то же время содержание хрома не должно быть выше 25%, так как при более высоком содержании хрома возрастает вероятность образования хрупкой σ-фазы и снижается сопротивление покрытия высокотемпературному окислению.
Алюминий, образуя упрочняющую γ'-фазу, обеспечивает хорошую жаростойкость покрытия при высоких температурах газовой среды. Содержание алюминия должно быть в мас.% 2-12. При выходе за верхнюю границу предложенного диапазона (более 12%) ухудшается технологичность покрытия: возрастает количество хрупкой β-фазы в структуре покрытия, снижается адгезия, увеличивается пористость. При содержании алюминия менее 2% существенно снижается жаростойкость покрытия. В конечном итоге наблюдается снижение защитных свойств покрытия и ухудшение характеристик его долговечности.
Тантал обеспечивает увеличение прочности и жаропрочности покрытия путем увеличения прочности атомных связей в структуре покрытия, образует карбиды и тормозит диффузионные процессы на границе сплав-покрытие, тем самым стабилизирует структуру покрытия и подавляет склонность безуглеродистых никелевых сплавов к формированию ВРЗ, содержащей нежелательные ТПУ-фазы. Кроме того, тантал повышает сопротивление покрытия высокотемпературному окислению. Содержание тантала менее 0,2% недостаточно для заметного улучшения свойств покрытия, так как он, в основном, содержится в твердом растворе, и сопротивление окислению повышается незначительно. Содержание тантала выше 20% приводит к образованию хрупких фаз в структуре покрытия, ухудшающих его долговечность.
Вольфрам вводят с целью формирования карбидов вольфрама, тормозящих диффузию элементов на границе покрытия со сплавом, снижения температуры перехода покрытия из хрупкого в пластичное состояние при нагреве. Вольфрам содержится в покрытии в карбидах и во вторичных твердых растворах. Содержание вольфрама должно быть в мас.% 0,5-9,0. При содержании вольфрама менее 0,5% не отмечается заметного улучшения свойств покрытия, а при увеличении его концентрации более 9% возможно образование ТПУ-фаз типа и, наличие которых отрицательно сказывается на долговечности покрытия.
Кобальт вводят для повышения пластичности и трещиностойкости. При содержании кобальта менее 8% и более 10% ухудшается жаропрочность покрытия.
Гафний, иттрий и кремний обеспечивают улучшение адгезии защитной оксидной пленки к поверхности покрытия. Усиление защитных свойств оксидной пленки достигается при введении гафния не менее 0,2% и кремния не менее 0,1%. При содержании гафния более 3% и кремния более 5% наблюдается образование ТПУ-фаз, ухудшающих характеристики долговечности покрытия. Положительный эффект от введения иттрия наблюдается при содержании иттрия в количестве не менее 0,001%. Иттрий в количествах больших чем 5% вводить нецелесообразно, так как это может заметно снижать сопротивление высокотемпературному окислению.
23
6
3
2
6
Углерод вводят для формирования карбидов, образующих барьерный слой на границе между покрытием и поверхностью детали. Основными карбидными фазами, входящими в состав барьерной зоны, являются карбиды типа МеС, МеС, MeCr, МеС, где Me - Cr, W, Та, Hf. Наличие карбидов тормозит взаимную диффузию элементов сплава и покрытия, что предотвращает тем самым образование ВРЗ в защищаемом сплаве, содержащей охрупчивающие ТПУ-фазы. При высоком содержании углерода (более 0,4%) происходит нежелательное снижение температуры солидус сплава, а при малом содержании (менее 0,1%) барьерный слой оказывается недостаточно эффективным.
Никель, как основа покрытия, выбран с целью обеспечения формирования слоя тугоплавких алюминидов никеля, обеспечивающих покрытие запасом алюминия, достаточным для надежной защиты изделия от высокотемпературного окисления в течение заданного ресурса.
Способ реализуется следующим образом. В качестве примера выбран способ формирования покрытия на рабочей лопатке турбины авиационного газотурбинного двигателя. Однако данный способ может быть применен, например, и для створок реактивного сопла газотурбинного двигателя.
На деталь - лопатку, отлитую из сплава, содержащего, мас.%; хром 6,1; кобальт 7,4; молибден 0,8; вольфрам 12; алюминий 5,1; титан 1,8; ниобий 1,1; углерод 0,006, никель - остальное до 100%, наносят конденсационным методом (напылением) первое (внутреннее) покрытие на основе никеля следующего состава, мас.%: хром 20,3; вольфрам 8,4; тантал 6,2; алюминий 10,8; углерод 0,34; гафний 2,1; кобальт 9,5; кремний 2,4; иттрий 3,0; никель - остальное до 100%. Толщина нанесенного покрытия составляет 0,070-0,075 мм. Получают покрытие со структурой, состоящей из легированного γ-твердого раствора на никелевой основе, упрочняющей γ'-фазы и карбидов. Структура покрытия мелкозернистая. Функция данного покрытия - создать барьерный слой, снижающий интенсивность процесса формирования ВРЗ или предотвращающий процесс формирования ВРЗ на границе сплава с покрытием.
После нанесения первого покрытия можно проводить термическую обработку - отжиг или старение. В этом случае термическую обработку покрытия проводят в вакууме путем нагрева лопаток до температуры 1050°C, выдержки в течение 2 ч, охлаждения до 870°C, выдержки в течение 16 часов и охлаждения. Возможны, в зависимости от требований, предъявляемых к прочностным характеристикам защищаемых деталей, варианты: термическую обработку проводят в диапазоне температур от 850 до 1100°C в течение от 1 до 16 часов.
3
2
Затем на данное (первое) покрытие наносят второе покрытие на основе алюминия путем алитирования газовым методом в среде хлоридов AlCl, AlCl, AlCl при температуре 1000°C в течение 6 ч. Затем выполняют термическую обработку - отжиг - при температуре 1050°C в течение 4 ч. В результате получают комбинированное покрытие, состоящее из двух покрытий: наружное (второе), состоящее из зерен β- и γ'-фаз, и внутреннее (первое), состоящее из карбидных частиц, распределенных в объеме β- и γ'-фаз. Суммарная толщина комбинированного покрытия составляет 0,085-0,090 мм.
Испытаниями образцов на жаростойкость при температуре 1050°C в течение 850 ч установлено, что структура комбинированного покрытия изменилась незначительно, а под покрытием ВРЗ, содержащая ТПУ-фазы, отсутствовала.
Покрытие на основе алюминия можно наносить не только алитированием, но и другими известными методами: шликерным методом, конденсацией сплавов для покрытий или хромоалитированием. Покрытия на основе алюминия являются также известными (см., например, П.Т. Коломыцев. Жаростойкие диффузионные покрытия. - М.: Металлургия, 1979 г.). Так, например, для алюмосилицирования шликерным методом используют состав, содержащий, мас.%: кремний 6; алюминий 94, при этом термическую обработку-отжиг осуществляют при температуре 1000°C в течение 3 ч.
Первое (внутреннее) и второе (наружное) покрытия наносят последовательно.