Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТИ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ТУРБИН ИЗ БЕЗУГЛЕРОДИСТЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения алюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты от высокотемпературного окисления внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов.

В промышленности широко известен способ защиты лопатки турбины из жаропрочного сплава насыщением поверхности в порошковой смеси, содержащей порошок сплава Fe-Al и галогенидный активатор, обычно хлористый аммоний (Тамарин Ю.А. Жаростойкие диффузионные покрытия лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1978). Способ используется для получения алюминидного покрытия на внешней поверхности лопатки турбины и обеспечивает равномерность по толщине покрытия на криволинейных поверхностях лопаток.

В известном способе не рассмотрена возможность его использования для защиты внутренней полости лопатки турбины, что является недостатком этого способа.

Известны способы защиты внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава от высокотемпературного окисления, включающие подготовку порошковой смеси, заполнение внутренней полости лопатки порошковой смесью, нагрев и выдержку лопатки при температуре до формировании на поверхности лопатки диффузионного алюминидного или хромоалюминидного покрытия, удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки (пат. США №№7094445, 5807428).

Способы по указанным патентам отличаются в основном составом порошковой смеси и режимами процесса алитирования или хромоалитирования.

Способы позволяют сформировать на внутренней поверхности лопатки диффузионный алюминидный или хромоалюминидный слой, обеспечивающий длительную защиту этой поверхности для лопаток из жаропрочных сплавов (ЖС) с карбидным упрочнением.

Известен также способ защиты от высокотемпературного окисления внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава, включающий подготовку поверхности внутренней полости лопатки под покрытие, подготовку порошковой смеси, нагрев порошковой смеси и лопатки до температуры обработки и выдержку при этой температуре и принудительную циркуляцию газовой среды от источника насыщающего элемента из порошковой смеси к наружным и внутренним поверхностям деталей с периодическим изменением скорости потока (патент РФ №1238597; Лесников В.П., Кузнецов В.П. Технология получения газоциркуляционных защитных покрытий. ГТТ №3, 2000 г., с.26-30).

Способ позволяет сформировать на внутренней и на внешней поверхности лопатки диффузионный алюминидный или хромоалюминидный слой (алюминидное покрытие), обеспечивающий защиту лопатки из жаропрочного сплава (ЖС) с карбидным упрочнением.

Известные способы имеют общий недостаток. Их нельзя использовать для защиты внутренней полости лопаток из современных безуглеродистых ЖС на основе никеля. Сформированный на этих сплавах диффузионный слой не имеет переходной зоны, состоящей преимущественно из карбидов. Переходная зона характерна для диффузионного покрытия на обычных углеродосодержащих ЖС. Отсутствие переходной зоны у диффузионного покрытия, препятствующей диффузии алюминия и хрома из покрытия в ЖС, в процессе работы лопатки приводит к быстрому снижению концентрации легирующих элементов в покрытии за счет их диффузии в поверхностный слой материала лопатки. При этом из-за диффузии в поверхностном слое материала лопатки на большую глубину (>> толщины покрытия) образуется зона, состоящая из хрупких, топологически плотно упакованных, пластинчатых фаз (ТПУ-фаз), которые снижают прочностные характеристики безуглеродистого ЖС (длительную жаропрочность, предел усталости, термостойкость). Одновременно с этим вследствие диффузии легирующих элементов покрытия в ЖС резко снижается жаростойкость покрытия. Таким образом, использование известных способов для защиты поверхности внутренней полости лопаток турбин из современных безуглеродистых ЖС путем их порошкового или газоциркуляционного алитирования или хромоалитирования не обеспечивает требуемый ресурс покрытия и может быть использовано только при очень ограниченном времени работы лопатки (не более 100 ч). Отметим, что ресурс современных лопаток турбины составляет 10⁴ ч и более.

Известен способ защиты внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава на основе никеля, содержащего углерод, включающий приготовление порошковой смеси, нагрев порошковой смеси и лопатки турбины и нанесение диффузионного алюминидного покрытия на поверхность внутренней полости лопатки (Патент США 4347267).

В известном способе нанесение алюминидного покрытия (алитирование или хромоалитирование) на поверхность внутренней полости лопатки осуществляется либо контактным (порошковым) способом путем заполнения внутренней полости порошковой смесью, либо бесконтактным способом в атмосфере, содержащей галогениды насыщающих элементов (Al, Al-Cr).

Известный способ позволяет получать на поверхности внутренней полости лопаток из жаропрочных сплавов на основе никеля с карбидным упрочнением диффузионный алюминидный или хромоалюминидный слой, обеспечивающий длительную защиту этой поверхности от окисления.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает защиту внутренней полости лопатки турбины из современного безуглеродистого ЖС на основе никеля. Сформированное на этих сплавах по известному способу диффузионное алюминидное покрытие не имеет переходной зоны, состоящей преимущественно из карбидов, что не обеспечивает работоспособность такого покрытия и приводит к разупрочнению жаропрочного сплава лопатки из-за образования под покрытием зоны с ТПУ-фазами.

Технической задачей настоящего изобретения является создание жаростойкого покрытия для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости лопатки турбины, изготовленной из современного жаропрочного безуглеродистого сплава на основе никеля для монокристального литья.

Это достигается тем, что предложен 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 со степенью насыщения от 1,5 до 8 г/м² путем заполнения внутренней полости лопатки порошковой смесью или газовой средой, нагрева и выдержки лопатки с заполненной внутренней полостью и последующее нанесение диффузионного алюминидного покрытия со степенью насыщения от 15 до 60 г/м².

Насыщение поверхности внутренней полости лопатки углеродом проводят при температуре 900-1000°С в течение 1-6 ч из порошка углерода фракцией 5-60 мкм или из пасты на основе порошка углерода с 35-45 мас.%, дистиллированной воды или ацетона, или этилового спирта.

Насыщение поверхности внутренней полости лопатки углеродом проводят в газовой смеси с углеродосодержащим газом, например метаном, при температуре 900-1000°С в течение 2-6 ч.

Насыщение углеродом поверхности внутренней полости лопатки из современного безуглеродистого ЖС обеспечивает при последующем алитировании или хромоалитировании поверхности внутренней полости лопатки формирование на поверхности жаростойкого диффузионного покрытия с карбидным переходным слоем, разделяющим ЖС от внешнего жаростойкого слоя покрытия на основе NiAl (β-фаза). На поверхности безуглеродистого ЖС при этом образуется жаростойкое покрытие, аналогичное для диффузионных покрытий на обычных углеродосодержащих ЖС с карбидным упрочнением, что обеспечивает многократное снижение диффузии алюминия или алюминия и хрома в поверхность безуглеродистого ЖС при рабочей температуре внутренней полости лопатки и соответствующее увеличение ресурса покрытия.

Для формирования на поверхности безуглеродистого ЖС жаростойкого алюминидного покрытия минимальной толщины 10 мкм поверхность ЖС насыщают углеродом на глубину 15-17 мкм, что соответствует степени насыщения в 1,5 г/м².

При максимальной толщине алюминидного покрытия 50 мкм поверхность ЖС насыщают углеродом на глубину 65-70 мкм, что для жаропрочного сплава ЖС36 соответствует степени насыщения поверхности углеродом в 8 г/м². Точное дозирование углерода при формировании насыщенного слоя на поверхности внутренней полости лопатки обеспечивает минимальное воздействие процесса насыщения на безуглеродистый ЖС и не снижает его прочностных характеристик, что также способствует достижению цели изобретения. Минимальная толщина алюминидного покрытия 10 мкм (степень насыщения 15 г/м²) используется для лопатки с ресурсом до 500 ч. Максимальная толщина алюминидного покрытия 50 мкм (степень насыщения 60 г/м²) обеспечивает ресурс лопатки на уровне 10⁴ ч и более.

Насыщение поверхности углеродом проводят из порошка углерода фракцией 5-60 мкм при температуре 900-1000°С в течение 1-6 ч, или из пасты на основе порошка углерода с 35-45% мас. дистиллированной воды, или ацетона ЧДА, или этилового спирта, что обеспечивает получение степени насыщения поверхности углеродом от 1,5 до 8 г/м² и соответствует глубине насыщенного слоя углеродом от 15 до 65-70 мкм.

Экспериментально сняты кинетические кривые степени насыщения поверхности ЖС углеродом от длительности выдержки при постоянной температуре, позволяющие определить режим насыщения для получения требуемой степени насыщения. Аналогичные результаты были получены для процесса насыщения углеродом из газовой смеси в области температур 900-1000°С и времени 2-6 ч.

Выбор порошка углерода фракцией 5-60 мкм, или пасты на основе порошка углерода с 35-45% мас. дистиллированной воды, или ацетона ЧДА, или этилового спирта не оказывает существенного влияния на процесс насыщения. Во всех случаях различие в скорости насыщения изменяется в пределах 10-15%, причем переход к пасте на водной основе снижает скорость насыщения, а переход к пасте на основе ацетона ЧДА или этилового спирта позволяет повысить скорость насыщения.

Выбор фракции порошка углерода 5-60 мкм обеспечивает легкое заполнение внутренней полости лопатки и легкое удаление смеси из этой полости и стабильность процесса цементации.

Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет создать жаростойкое покрытие для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости монокристальной лопатки турбины, изготовленной из современного жаропрочного безуглеродистого сплава на основе никеля.

Сущность изобретения поясняется следующим примерами.

Пример 1. Для защиты внутренней полости лопатки турбины из безуглеродистого сплава ЖС36 проводили подготовку поверхности внутренней полости лопатки и поверхности образца из сплава ЖС36 путем гидроабразивной обработки поверхности водной суспензией, содержащей электрокорунд, фракцией 30-50 мкм. Затем проводили промывку внутренней полости водой под давлением до полного удаления электрокорунда, затем промывали лопатку и внутреннюю полость в горячей проточной и в дистиллированной воде, и проводили сушку лопатки сначала на воздухе, а затем в вакуумном термошкафу при температуре 180°С. Таким образом, была подготовлена партия лопаток и образцов из сплава ЖС36. Одновременно с этим проводили подготовку исходных материалов для проведения насыщения поверхности внутренней полости лопатки углеродом. Для этого проводили сушку порошка углерода при температуре 150°С в течение 1 ч. Затем заполняли этим порошком внутреннюю полость лопатки через отверстия для подачи в лопатку охлаждающего воздуха и закрывали эти отверстия асбестовым шнуром. Таким же образом готовили пасту на основе порошка углерода с 35-45 мас.% дистиллированной воды, ацетона ЧДА и этилового спирта. Затем заполняли пастой внутреннюю полость других лопаток при помощи шприца и закрывали эти отверстия лопаток асбестовым шнуром. Затем лопатки укладывали в контейнер, герметизировали крышку контейнера и проводили процесс насыщения при температурах 900; 950; 1000°С в течение 2, 4, 6 ч. Затем контейнер охлаждали и удаляли из внутренней полости лопаток смесь, продували внутреннюю полость лопатки чистым сжатым воздухом и проводили контроль процесса по степени насыщения поверхности углеродом и глубине насыщенного слоя. Полученные данные сведены в таблицу

Затем лопатки со степенью насыщения поверхности сплава ЖС36 углеродом 1,5, 5,2 и 8 г/м² прошли подготовку поверхности перед процессом нанесения диффузионного алюминидного покрытия (гидроабразивная обработка, промывка внутренней полости водой и сушка лопаток сначала на воздухе, а затем в вакуумном термошкафу при температуре 180°С). Затем на половине лопаток из каждой группы проводили процесс серийного порошкового алитирования поверхности с удельным привесом 15, 40 и 60 г/м², а на второй половине лопаток каждой группы проводили процесс серийного газового циркуляционного хромоалитирования также с удельным привесом 15, 40 и 60 г/м². Таким образом, на лопатках турбины были получены диффузионные алюминидные покрытия толщиной 10 мкм (лопатки со степенью насыщения углеродом 1,5 г/м²), 32 мкм (лопатки со степенью насыщения углеродом 5,2 г/м²) и 50 мкм (8 г/м²) с характерной двухзонной микроструктурой, состоящей из переходного слоя на основе карбидов и внешнего слоя на основе моноалюминида никеля, содержащего субмелкодисперсные карбиды хрома, вольфрама и карбидообразующих элементов, входящих в состав сплава ЖС36.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что в качестве лопаток использовали лопатки из безуглеродистого сплава ЖС40 и ЖС47, и тем, что насыщение проводили в газовой среде. В качестве газовой среды использовали смесь газов: 2% метана, 3% Н₂, остальное аргон.

Насыщение проводили по серийной технологии по режиму 1000°С, 5 ч в смеси газов (3% метан, 3% Н₂, остальное аргон). На контрольном образце из сплава ЖС40 был получена степень насыщения 7,9 г/м², что соответствует глубине слоя 56 мкм для сплава ЖС40, а на контрольном образце из сплава ЖС47 получена степень насыщения 6 г/м², что соответствует глубине слоя 68 мкм. Затем лопатки и контрольные образцы прошли подготовку поверхности под нанесение алюминидного покрытия. Затем на половине лопаток из каждой группы проводили процесс серийного порошкового хромоалитирования поверхности, а на второй половине лопаток каждой группы проводили процесс серийного газового циркуляционного хромоалитирования. Таким образом, на лопатках турбины были получены диффузионные алюминидные покрытия толщиной 50 мкм с характерной для обычных углеродосодержащих ЖС двухзонной микроструктурой, состоящей из внешнего жаростойкого слоя и переходного слоя на основе фазы Ni₃Al и карбидов.

Металлографические исследования полученных защитных покрытий на контрольных образцах и на одной лопатке из каждой группы лопаток показали, что во всех группах лопаток на поверхности внутренней полости формируются алюминидные диффузионные покрытия с характерной двухзонной структурой - внешним жаростойким слоем на основе фазы NiAl и внутренним переходным диффузионным слоем на основе карбидов из тугоплавких карбидообразующих элементов сплавов ЖС36, ЖС40, ЖС47 и фазы Ni₃Al, что характерно для обычных углеродосодержащих ЖС с карбидным упрочнением.

Проведены исследования полученных покрытий на жаростойкость при выдержке лопаток на воздухе в течение 1000 ч при температуре 950°С, характерной для внутренней поверхности охлаждаемых лопаток турбин, и повторные металлографические исследования лопаток после испытаний. Исследования показали, что после длительной выдержки на поверхности сплава лопатки, примыкающей к покрытию, нет ТПУ-фаз, что свидетельствует о минимальной диффузии алюминии и хрома из покрытия в сплав и эффективности такого способа защиты внутренней полости лопаток из безуглеродистых ЖС от высокотемпературного окисления. Таким образом, прелагаемый способ обеспечивает длительную защиту внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочных безуглеродистых сплавов на основе никеля и может найти применение при освоении этих сплавов в промышленности.