ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ
HIGH-TEMPERATURE COMPOSITE MATERIAL FOR SEALING COATING

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения высокотемпературного уплотнительного композиционного покрытия методом газотермического напыления, например, плазменного напыления, а также при производстве газотурбинных двигателей для обеспечения стабильности зазоров в сопряженных элементах проточной части турбины.
2
2
3
Известен уплотнительный материал (А.с. №1767926 А1, 15.08.1994, С23С 4/06), включающий рабочий слой, содержащий диоксид циркония (ZrO), стабилизированный 5-10 мас.% оксида иттрия (YO), а также нитрид бора (BN) и/или графит (С) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
стабилизированный диоксид циркония
80-95
нитрид бора и/или графит
5-20
2
Недостатком данного технического решения является то, что порошковый материал, применяемый для получения данного уплотнительного покрытия, является механической смесью порошков, в которой частицы ZrO  и BN (или BN+C) не связаны друг с другом, т.е. не скомпактированы в гранулы. В связи с тем, что BN является мелкодисперсным тугоплавким, инертным порошком, не образующим покрытия (в чистом виде), то в процессе напыления такого порошкового материала будет происходить его расслоение на составляющие компоненты, что приведет к потере BN в полученном покрытии.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному материалу является высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия (Патент РФ №2303649 С2, 27.07.2007, С23С 4/10) - прототип, включающий нитрид бора и стабилизированный диоксид циркония. При этом композиционный материал содержит также нихромовое волокно длиной 3-5 мм, а стабилизированный диоксид циркония содержится в двух фракциях - диоксид циркония, стабилизированный 7% оксида иттрия, фракции 100-250 мкм и стабилизированный диоксид циркония активированной пылевидной фракции при следующем соотношении компонентов, мас.%:
стабилизированный диоксид циркония фракции 100-250 мкм 10-
15
нитрид бора
15-25
нихромовое волокно
9-12
стабилизированный диоксид циркония
активированной пылевидной фракции
остальное
Недостатком данного технического решения является то, что получаемое из указанного материала покрытие имеет неоднородную плотность, низкое сцепление с поверхностью основы и невысокую рабочую температуру на воздухе (до 1000°С) из-за окисления при этой температуре нихромового волокна. Помимо этого повышается трудоемкость получения исходного состава композиционного материала и уплотнительного покрытия из него, поскольку данный способ требует нанесения влажного состава на поверхность основы ручным или механизированным способом, и также последующие сушку и прессование в вакууме при нагреве до 1100°С. А кроме того, нанесение используемого в данном решении композиционного материала требует применения специального дорогостоящего оборудования и приспособлений (вакуумные печи, термофиксаторы), особенно при нанесении на крупноразмерные конструкции сложной формы.
Технический результат заявленного изобретения - повышение качества получаемого покрытия.
Указанный технический результат достигается тем, что высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия, включающий гексагональный нитрид бора и стабилизированный диоксид циркония, дополнительно содержит алюмогель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
гексагональный нитрид бора
5-15
алюмогель
3-6
стабилизированный диоксид циркония системы ZrO<sub>2</sub>-7-8%Y<sub>2</sub>O<sub>3 -</sub>
остальное до 100%
При этом содержание в композиционном материале основной фракции с частицами 20-100 мкм округлой формы может составлять не менее 70% от общей массы материала.
Наличие нитрида бора (BN) в составе композиционного материала позволяет повысить термическую стойкость покрытия и, в паре с сопрягаемым элементом ротора турбины, снизить трение материала покрытия, улучшая прирабатываемость последнего.
При содержании в составе композиционного материала гексагонального нитрида бора более 15% формируется рыхлое термобарьерное покрытие с низкой эррозионной стойкостью в газовом потоке. А содержание в композиционном материале гексагонального нитрида бора менее 5% является нецелесообразным, поскольку не оказывает заметного влияния на улучшение истираемости керамического слоя.
2
Стабилизированный оксид циркония (ZrO) служит для изготовления керамических деталей и нанесения теплозащитных покрытий термическим напылением. Процесс стабилизации оксида циркония оксидом иттрия позволяет получить твердый раствор с устойчивой тетрагональной решеткой, остающийся неизменным при нагреве и охлаждении материала, что позволяет исключить усадку при нагреве и расширение при охлаждении материала при термоциклах в ГТД. Покрытие, состав которого включает стабилизированный диоксид циркония, обладает высокой температурой плавления, высокой стойкостью к тепловым ударам, низкой теплопроводностью, твердостью, устойчивостью к действию кислот и щелочей, поэтому его использование позволяет противостоять высоким температурам и химически агрессивным средам при эксплуатации.
Наиболее оптимальным является использование диоксида циркония, стабилизированного 7-8% оксида иттрия.
Наличие стабилизированного диоксида циркония в составе композиционного материала позволяет снизить на 100-150°С величину теплового потока через покрытие и замедлить фазовые превращения, существенно изменяющие начальное состояние системы металлического сплава при температурах более 1050°С.
2
Включение в состав композиционного материала в качестве связующего алюмогеля приводит к дополнительному образованию микропор в рабочем слое покрытия, что способствует повышению истираемости рабочего слоя. Наличие алюмогеля обеспечивает компактирование исходного порошка, включающего ZrO и BN в гранулы, а также сводит к минимуму потери нитрида бора в процессе приготовления и напыления материала. Оптимальным является содержание алюмогеля в композиционном материале 3-6%.
При содержании в композиционном материале алюмогеля менее 3% не происходит гранулирование порошка и связывание нитрида бора, что приводит к потере последнего в получаемом покрытии. А при содержании в композиционном материале алюмогеля более 6% формируется рыхлый рабочий слой из-за низкой (плохой) проплавляемости крупногранульной фракции порошка.
Предложенный композиционный материал может быть нанесен (в отличие от прототипа) высокотехнологичным и широко распространенным методом высокотемпературного газотермического распыления, например, плазменным напылением. Оптимальным является использование предложенного композиционного материала, представляющего собой гранулированный порошок с наличием в нем основной фракции с частицами 20-100 мкм округлой формы, составляющими не менее 70% от общей массы композиционного материала.
Пример. Необходимо было получить термобарьерное уплотнительное покрытие на деталях из никелевого сплава ЭП648 - проставках, используемых в качестве радиального уплотнения зазора между торцами пера рабочих лопаток колеса ротора и статором турбины.
Первый этап включал приготовление композиционного материала для уплотнительного покрытия. Сначала произвели смешивание в шнековом смесителе порошков гексагонального нитрида бора, стабилизированного диоксида циркония, алюмогеля в течение 2-4 часов до получения однородной пластичной массы (пасты) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
гексагональный нитрид бора - 10
алюмогель - 5
2
2
3
стабилизированный диоксид циркония системы ZrO-7% YO- 85
Далее из полученной пасты изготовили керамические стержни на испытательном прессе. Произвели естественную сушку, прокаливание и измельчение стержней. По этой технологии был получен порошок с основной фракцией от 20 до 100 мкм с содержанием частиц округлой формы не менее 70%.
Второй этап включал подготовку деталей (проставок) для последующего нанесения на них уплотнительного покрытия. Произвели обезжиривание покрываемых поверхностей нефрасом, пескоструйную обработку (обдувку электрокорундом) покрываемых поверхностей и дальнейшую сборку проставок в технологическом приспособлении кольцевого типа.
Третий этап включал плазменное напыление рабочего слоя толщиной 2,0 мм.
Последний этап включал механическую обработку проставок в сборочном приспособлении.
Детали с полученным термобарьерным уплотнительным покрытием подвергли испытаниям на термостойкость на газодинамическом стенде путем нагрева до температуры 1050°С за 10 сек, выдержки в течение 10 сек и охлаждения до температуры 300°С в течение 10 сек, а затем в составе энергетической силовой парогазовой установки (ПТУ).
Испытания проставок с уплотнительным покрытием, полученным из заявленных компонетов, показали, что благодаря их использованию ресурс работы турбины ГТД и ее КПД увеличился в 1,5-1,7 раза по сравнению с использованием проставок с сотами, полученными электроэрозионной обработкой и с уплотнительным покрытием, полученным известными способами.
Также положительным результатом испытаний стало то, что уплотнение проточного тракта при соотношении линейного износа лопатки к уплотнительному материалу составило 1:3. Принято, что за единицу принимают износ лопатки. Нормальное соотношение износов лопатки к уплотнительному материалу для компрессора составляет от 1:2 до 1:6. Реально известные серийные уплотнительные материалы, например, марок «20Б» и «КНА» в интервале температур от 500 до 800°С имеют соотношение износов от 1:2 до 1:4 и от 1:2 до 1:3 соответственно.
Таким образом, использование предложенного композиционного материала обеспечивает высокую технологичность нанесения покрытия, повышение его качества за счет улучшения прирабатываемости в интервале температур 1000°С и более, а также повышение эффективности работы уплотнения в целом, что сводит к минимуму износ дорогостоящих частей ГТД.