Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии в машиностроении и может использоваться для повышения долговечности деталей из титановых сплавов, работающих при высоких температурах, таких как лопатки последних ступеней компрессора и лопаток газовой турбины авиационных двигателей или газотурбинных установок различного назначения.

До температуры 600°С титан обладает хорошей коррозионной стойкостью, которая обеспечивается собственной пассивной оксидной пленкой, и диффузионные процессы в значительной мере заторможены. Однако при более высоких температурах ионы титана обладают высокой диффузионной подвижностью, в результате чего резко возрастает скорость окисления жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов титана, которые предназначены для работы при повышенных температурах [О.Н. Гребенюк, М.В. Зенина Окисление интерметаллидного сплава на основе Ti₂АlNb при температурах до 800°С // Технология легких сплавов. 2010. №4. С. 36-40].

В известном способе (US №5837387 за 1988 г., В32В 15/16) нанесение жаростойкого покрытия осуществляется плазменным напылением слоя сплава системы Ti-Cr-Al в вакууме и защитное покрытие обеспечивается формированием барьерного слоя из γ-TiAl и фазы Лавеса TiCrAl. К недостаткам указанной технологии относятся высокая трудоемкость процесса формирования покрытия с барьером в виде фазы Лавеса TiCrAl, а также большая толщина покрытия и существенное снижение усталостной прочности деталей с покрытием.

Известен способ получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов, включающий вакуумно-плазменное конденсационное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток, термическую обработку (RU №2390578 за 2007 г., С23С 14/06). Данный патент взят в качестве прототипа.

К недостаткам технологии, изложенной в патенте, относится наличие в составе покрытия нитридов, карбидов или карбонитридов, обладающих высокой хрупкостью и низкой вязкостью разрушения. В то же время использование при подготовке поверхности лопаток электролитно-плазменного полирования приводит к нестабильности данного процесса, который трудно контролируется и легко переходит в эрозионный съем основного металла.

Технический результат заявленного изобретения - повышение жаростойкости изделий из титановых сплавов при температурах (600-850)°С достигается нанесением высокотемпературного металлического покрытия, обладающего высокими механическими свойствами.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов, включающем вакуумно-плазменное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку, сначала осуществляют вакумно-плазменное конденсационное осаждение первого слоя из легирующих элементов сплава системы алюминий - кремний, а затем - второго слоя из легирующих элементов сплава системы алюминий - хром - иттрий - никель, при этом термическую обработку проводят последовательно после получения каждого слоя при температуре не выше 850°С, причем первый слой защитного покрытия получают составом, содержащим, мас. %: кремний 0,1-1,65; и алюминий - остальное, а второй слой - составом, содержащим, мас. %: алюминий 5-12, хром 20-25, иттрий 0,01-3,0, никель - остальное.

Покрытие может состоять из двух или одного металлических слоев, в зависимости от предъявляемых требований к долговечности. Первое покрытие, содержащее, мас. %: кремний 0,1-1,65; алюминий - остальное и второе покрытие, содержащее, мас. %: хром 20-25, алюминий 5-12, иттрий 0,01-3,0, никель - остальное, наносят конденсационным методом. Основное назначение алюминия в составе первого покрытия состоит в том, чтобы при взаимодействии с титаном сформировать структуру, состоящую из соединений титана TiAl, TiAl₃, TiSi₂, Ti₅Si₃, обеспечивающих высокую жаростойкость покрытию и позволяющих сформировать защитную оксидную пленку из оксида алюминия, которая обладает низкой проницаемостью для кислорода и высокой адгезией к поверхности покрытия.

Кремний обеспечивает увеличение коррозионной стойкости покрытия благодаря увеличению адгезии оксидной пленки и уменьшению склонности пленки к скалыванию. Содержание кремния должно быть не выше 1,65% для того, чтобы не допускать образования легкоплавкой эвтектики, которая возможна при выходе за границу верхнего диапазона концентраций. Содержание кремния менее 0,1% недостаточно для заметного улучшения защитных свойств оксидной пленки. Усиление защитных свойств оксидной пленки наблюдается при введении кремния не менее 0,1%.

Второй слой покрытия наносят для дополнительного повышения долговечности деталей из титановых сплавов, работающих при более высоких температурах (850-1000)°С или длительной эксплуатации.

Основное назначение хрома в составе второго слоя покрытия состоит в обеспечении стойкости к коррозии при высоких температурах и предотвращении рассасывания покрытия. Для выполнения этих функций содержание хрома в слое должно быть не ниже 20%. При содержании хрома выше 25% возрастает вероятность формирования охрупчивающих топологически плотноупакованных фаз, которые отрицательно сказываются на механических свойствах материала покрытия.

Алюминий, образуя упрочняющую γ'-фазу, обеспечивает хорошую жаростойкость покрытия при высоких температурах. Содержание алюминия должно быть в мас. % 5-12. При выходе за верхнюю границу указанного диапазона (более 12%) ухудшается технологичность покрытия: возрастает количество хрупкой фазы β-NiAl в структуре покрытия, уменьшается адгезия и возрастает пористость. При содержании алюминия менее 5% заметно снижается жаростойкость покрытия. В итоге снижаются защитные свойства покрытия и характеристики его долговечности. Добавку иттрия вводят для улучшения адгезии оксидной пленки, которая более эффективна при комплексном микролегировании покрытия совместно с кремнием.

Положительный эффект от введения в покрытие иттрия получают при содержании иттрия в количестве не менее 0,01%. При введении иттрия в количестве больше 3,0% не происходит заметного повышения эффективности покрытия. Высокое содержание иттрия может вызвать ухудшение сопротивляемости высокотемпературному окислению.

Никель во втором слое покрытия является основой, в которой, в основном, содержится хром в составе твердого раствора и, кроме того, никель образует жаростойкое соединение NiAl, которое служит источником алюминия для формирования защитной оксидной пленки.

Таким образом, алюминид никеля β-NiAl и алюминий первого слоя обеспечивают покрытие запасом алюминия, достаточным для надежной длительной защиты деталей от высокотемпературного окисления в течение назначенного ресурса.

Термическую обработку деталей с покрытием проводят при температуре не выше 850°С, поскольку при более высоких температурах происходит рост зерна и снижение механических свойств материала деталей.

Способ реализуется следующим образом. В качестве примера выбран способ формирования покрытия на лопатке ротора компрессора высокого давления авиационного газотурбинного двигателя. Однако, данный способ может быть применен и для деталей, например, изготовленных из интерметаллидных титановых сплавов лопаток ротора турбины низкого давления, работающих при температурах 700-800°С, деталей реактивного сопла второго контура авиадвигателей из титановых орто- или γ-сплавов.

Пример. На деталь газотурбинного двигателя, изготовленного из титанового орто-сплава системы Ti₂AlNb, содержащего, мас. %: Аl 11,8; Nb 41,2; Zr 2,2; Mo 0,5; Та 0,8; W 1,2; Si 0,23; С 0,06; Ti - остальное до 100%, наносили конденсационным методом (катодным распылением слитка в вакууме) покрытие на основе алюминия следующего состава, масс %: Si 0,8; Аl - остальное до 100%. Толщина нанесенного покрытия составляла 0,040-0,050 мм. Полученное покрытие имело структуру, состоящую из легированного кремнием твердого раствора Al(Si) на алюминиевой основе. Структура покрытия мелкозернистая. Затем проводили термическую обработку деталей в вакууме при температуре 700°С в течение 2 часов. Получали структуру, состоящую из γ-TiAl, γ₁-TiAl₃ и включений TiSi₂, Ti₅Si₃. Данное покрытие обеспечивает создание запаса алюминия, достаточного для формирования на поверхности оксидной пленки Аl₂О₃, а добавка кремния обеспечила высокую адгезию и существенное усиление коррозионной стойкости. Испытания на жаростойкость, проведенные при температуре 700°С, подтвердили высокую сопротивляемость покрытия окислению на воздухе.

После получения первого слоя покрытия на него наносили второй слой покрытия на основе никеля конденсационным методом вакуумно-плазменного распыления слитка следующего состава, мас. %: Al 11,5; Cr 20; Y 0,6; Ni - остальное до 100%. Затем выполняли термическую обработку в вакууме при температуре 700°С в течение 2 часов. В результате получали комплексное покрытие, состоящее из двух слоев - первый слой на основе соединений титана с алюминием и кремнием и второй слой на основе соединений никеля с алюминием. Суммарная толщина комплексного покрытия составляет 0,05-0,07 мм. Применение данного способа получения покрытия обеспечивает повышение долговечности и ресурса лопаток турбомашин, изготовленных из жаропрочных титановых сплавов, при этом достигается повышение эрозионной стойкости и сопротивления высокотемпературному окислению.