Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты деталей от высокотемпературного окисления, в том числе сопловых блоков, створок сопла ГТД с регулируемым вектором тяги, рабочих и сопловых лопаток газовых турбин из никелевых сплавов.

Известен способ осаждения диффузионного алюминидного покрытия, на подложку из никелевого или кобальтового жаропрочного сплава, включающий нанесение диффузионного алюминидного покрытия, содержащего: Al, Si и Hf на подложку для формирования начального слоя алюминидного покрытия, далее нанесение слоя платины, формирование внутреннего слоя алюминидного покрытия и внешнего слоя гамма матрицы Ni, Pt, Si с содержанием компонентов от 0,01 до 8%, вторичные выделения, включающие силициды гафния и кремния (патент США №6291014).

Недостатками способа являются высокая трудоемкость процесса, использование дорогостоящего драгоценного металла - платины, неудовлетворительная жаростойкость покрытия при температурах выше 1100°С.

Известен также способ защиты лопаток газовых турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя конденсированного покрытия на внешней поверхности пера лопатки формируют керметный слой из никелевого сплава, содержащего алюминий и карбидообразующие элементы путем введения в вакуум углеродсодержащего газа при давлении (0,1-5)·10^-1 Па (патент РФ №2280096).

Недостатком способа является недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах до 1200°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты лопаток газовых турбин, включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, тантал, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, в котором осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного вольфрамом и рением при следующем соотношении компонентов, мас.%:

(патент РФ №2190691).

Недостатком известного способа является недостаточно высокие жаростойкие свойства покрытия при рабочих температурах лопатки из никелевого сплава до 1200°С.

Технической задачей изобретения является повышение жаростойкости покрытия при рабочих температурах деталей газовых турбин из никелевого сплава до 1200°С.

Техническая задача достигается тем, что предложен способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность детали первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, тантал, рений, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного гафнием при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов с осаждением первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, дополнительно легированного гафнием, позволяет поднять жаростойкость покрытия за счет формирования на границе защищаемый сплав - покрытие карбидов на основе гафния, которые являются более термически стабильными при температурах выше 1100°С, чем карбиды хрома и вольфрама. Карбиды на основе гафния создают барьер, препятствующий диффузии алюминия из сплава покрытия в защищаемый сплав, а также встречной диффузии легирующих элементов защищаемого сплава в покрытие, снижающих жаростойкость при температуре выше 1100°С (титан молибден, кобальт). Кроме того, гафний оказывает положительное влияние на жаростойкость покрытия путем создания на поверхности покрытия окислов, повышающих адгезию защитной пленки оксида алюминия.

Примеры осуществления

Пример 1. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность соплового блока из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-1В в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице №1. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м².

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №2

Пример 2. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность створки сопла для ГТД с регулируемым вектором тяги из никелевого интерметаллидного сплава ВКНА-25 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице 2. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м².

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №3

Пример 3. Ионно-плазменным методом на внешнюю поверхность лопатки газовых турбин из никелевого сплава ВЖМ-4 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый слой конденсированного покрытия из никелевых сплавов 1, 2 и 3 системы NiCrAlTaHfReY, состав которых представлен в таблице 3. Затем произвели осаждение второго слоя из алюминия и термообработали в вакууме по режиму 1000-1050°С в течение 3-4 часов детали с покрытиями. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 60-100 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности 50-60 г/м².

Жаростойкость покрытия определяли по удельному изменению массы, результаты испытаний приведены в табл. №4

На всех деталях из никелевых сплавов ВКНА-1В, ВКНА-25 и ВЖМ-4 покрытие, полученное с использованием сплава 1, на базе испытаний 400 часов обеспечило наименьшие значения потери массы деталей (таблицы 2, 3, 4) за счет положительного влияния гафния, снижения содержания хрома и исключения вольфрама. Жаростойкость покрытия повысилась более чем в 2 раза.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить жаростойкость покрытия и, следовательно, ресурс и надежность деталей газовых турбин.