Жаростойкое покрытие

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к материалам для защиты деталей газотурбинных двигателей из жаростойких свариваемых никелевых сплавов, в том числе упрочненных внутренним азотированием, от окисления под действием высокотемпературной газовой коррозии при эксплуатации.

Для защиты деталей камеры сгорания газотурбинных двигателей от высокотемпературной газовой коррозии при эксплуатации широко применяются жаростойкие эмалевые покрытия, регламентирующие окисление сплавов и являющиеся барьером на пути агрессивных сред. Температура формирования жаростойких эмалевых покрытий обычно превышает рабочую на 200-300°С, что затрудняет решение проблемы создания жаростойких покрытий для защиты никелевых сплавов при рабочих температурах 1200-1250°С, так как обжиг тонкостенных деталей из жаростойких никелевых сплавов для камеры сгорания при температурах 1400°С и выше недопустим ввиду коробления, разупрочнения и выгорания легирующих элементов.

Известен состав жаростойкого стеклокристаллического покрытия с ситалловой структурой, который выражается следующим соотношением компонентов, масс. %:

высокоглиноземистый отход Белокалитвенского комбината содержит, масс. %: SiO₂ - 15,00; Al₂O₃ - 71,66; СаО - 1,76; MgO - 5,51; MnO₂ - 0,05; Na₂O - 1,58; Fe₂O₃ - 1,93; K₂O - 2,20; TiO₂ - 0,31 (RU 2275341 С1, 27.04.2006).

Известен состав жаростойкого покрытия для защиты деталей газотурбинных двигателей, масс. %:

минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, масс. %: SiO₂ - 56,25-58,5; Al₂O₃ - 34,3-35,1; СаО - 1,0-1,2; MgO - 1,0-1,1; K₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; TiO₂ - 1,6-1,8; SO₃ - 0,15-0,25; Fe₂O₃ - 0,8-1,0 или SiO₂ - 35,25-40,05; Al₂O₃ - 34,3-35,1; СаО - 1,0-1,2; MgO - 1,0-1,1; K₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; TiO₂ - 1,6-1,8; SO₃ - 0,15-0,25; Fe₂O₃ - 0,8-1,0; SiB₄ - 18,0-21,0 (RU 2358925 C1, 20.06.2009).

Наиболее близким аналогом является жаростойкое покрытие следующего состава, масс. %:

минеральное комплексное соединение на основе SiO₂ содержит, масс. %: SiO₂ - 56,25-58,5; Al₂O₃ - 34,3-35,1; MgO - 1,0-1,1; СаО - 1,0-1,2; K₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; SO₃ - 0,15-0,25; TiO₂ - 1,6-1,8; Fe₂O₃ - 0,8-1,0 или SiO₂ - 35,25-40,05; Al₂O₃ - 34,3-35,1; СаО - 1,0-1,2; MgO - 1,0-1,1; K₂O - 2,5-2,6; Na₂O - 0,6-0,7; TiO₂ - 1,6-1,8; SO₃ - 0,15-0,25; Fe₂O₃ - 0,8-1,0; SiB₄ - 18,0-21,0 (RU 2163897 C2, 10.03.2001).

Недостатками известных жаростойких покрытий являются малые значения вязкости при температурах эксплуатации выше 1000°С, что приводит к быстрому окислению сплавов, малая прочность сцепления со сплавами на никелевой основе.

Техническим результатом изобретения является снижение разницы между рабочей температурой и температурой обжига покрытия, обеспечение жаростойкости и термостойкости покрытия при температуре 1250°С и повышение прочности сцепления покрытия с жаростойкими никелевыми свариваемыми сплавами при комнатной температуре.

Технический результат достигается за счет того, что предложено жаростойкое покрытие, включающее Al₂O₃, СаО, MgO, ВаО, TiO₂, B₂O₃, SiO₂, SiB₄ и дополнительно содержащее 25BaO-25Al₂O₃-50SiO₂ при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Методами оптической цифровой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения, рентгенофазового анализа установлено, что одновременное введение SiB₄ и 25BaO-25Al₂O₃-50SiO₂ при заявленном соотношении и содержании компонентов жаростойкого покрытия приводит к образованию жидкой фазы боросиликатного стекла, армированного частицами BaAl₂Si₂O₈, SiB₄, что обеспечивает повышение жаростойкости и термостойкости покрытия при температурах эксплуатации до 1250°С, повышение прочности сцепления при комнатной температуре и позволяет получить плотные, сплошные покрытия при температуре обжига, близкой к рабочей.

Примеры осуществления.

Для получения фритты жаростойкого покрытия компоненты в соотношениях, указанных в таблице 1, помещали в фарфоровый барабан с загрузкой алундовых шаров в соотношении 1:1,5 и проводили смешение компонентов в течение 1 ч на валковой мельнице диаметром валков 10,3 см при скорости их вращения 100 об/мин. Варку фритты проводили в камерной печи в алундовых тиглях в окислительной атмосфере с грануляцией в воду. Тугоплавкое соединение 25BaO-25Al₂O₃-50SiO₂ получали путем составления шихты, содержащей ВаСО₃, Al₂O₃ и SiO₂, и ее последующего смешения в фарфоровом барабане с загрузкой алундовых шаров в соотношении 1:0,5 в течение 1 ч на валковой мельнице диаметром валков 10,3 см при скорости их вращения 100 об/мин. После смешения проводили варку соединения 25BaO-25Al₂O₃-50SiO₂ при температуре 1600°С в течение 5 ч в камерной печи в алундовых тиглях в окислительной атмосфере с последующей грануляцией в воду. Затем изготавливали шликер покрытия путем совместного размола фритты и наполнителей (25BaO-25Al₂O₃-50SiO₂, SiB₄) с добавлением 1 л водопроводной воды в фарфоровом барабане на валковой мельнице в течение 36 часов. Готовый шликер в виде суспензии выгружали из барабана в полиэтиленовые емкости и отделяли мелющие тела.

Шликер наносили краскораспылителем при условной вязкости шликера 14 Па⋅с на образцы жаростойкого свариваемого никелевого сплава, упрочненного внутренним азотированием, марки ВЖ 171. Толщина покрытия составляла 90-100 мкм. Образцы с покрытием сушили в сушильном шкафу при температуре 60°С в течение 1 часа. Обжиг образцов сплава ВЖ 171 с нанесенным предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом производили при температуре 1260-1280°С в течение 3-4 минут. Поверхность образцов после обжига была сплошной, плотной, глянцевой, без дефектов.

Составы предлагаемого жаростойкого покрытия и покрытия-прототипа приведены в таблице 1.

Образцы сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом подвергались испытаниям для определения жаростойкости, термостойкости при температуре 1250°С и прочности сцепления при комнатной температуре.

Жаростойкость образцов сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом оценивали путем нагрева при температуре 1250°С в течение 100 часов. Температурно-временные режимы испытаний для образцов сплава ВЖ 171, приведенные в таблице 2, соответствуют условиям эксплуатации.

Термостойкость образцов сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом определена путем термоциклирования по режиму 1250°С↔20°С. Один цикл составлял 5 минут.

Сцепление предлагаемого жаростойкого покрытия и покрытия-прототипа определялось площадью скола покрытия с защищаемой поверхностью образца. Образцы сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием и покрытием-прототипом нагревали в печи SNOL 30/1300 и при температуре 1250°С выдерживали 10 минут, после чего образцы выгружали из печи и подвергали удару металлическим шариком массой 5 г и диаметром 3 мм с высоты 50 см. Покрытие скалывалось с защищаемой поверхности в виде окружностей и прямоугольников. После удара вычисляли площадь скола по формулам:

S_кp=2πr², где S_окр - площадь скола в виде круга, r - радиус окружности,

S_пр=L×b, где S_пр - площадь скола в виде прямоугольника, L - длина, b - ширина.

Общая площадь сколовшегося покрытия S_скола с защищаемой поверхности образца равна суммарной площади всех сколов покрытия.

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2. Приведенные в таблице 2 экспериментальные данные соответствуют средним значениям, полученным из 3-х измерений жаростойкости, термостойкости и прочности сцепления.

Как показали полученные данные, жаростойкость образцов сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°С выше в 6,7-7,8 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Термостойкость образцов сплава ВЖ 171 с предлагаемым жаростойким покрытием при температуре 1200°С выше в 4,7-4,8 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Прочность сцепления предлагаемого жаростойкого покрытия со сплавом ВЖ 171 при комнатной температуре составляет 100%, то есть покрытие не скалывается и сохраняется на всей поверхности образца.

Таким образом, предлагаемое покрытие с рабочей температурой 1250°С формируется при температуре обжига 1260-1280°С, которая не приводит к короблению, разупрочнению и выгоранию легирующих элементов из жаростойких свариваемых никелевых сплавов, в отличие от покрытия-прототипа, которое эксплуатируется при температуре не более 1000°С и при этом формируется при температуре 1180-1200°С. Предлагаемое покрытие характеризуется высокими значениями жаростойкости и термостойкости при температуре 1250°С, а также высокой прочностью сцепления с жаростойкими никелевыми свариваемыми сплавами при комнатной температуре.