КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ

Изобретение относится к области создания средств защиты деталей из сплавов на никелевой основе от воздействия агрессивных сред, в частности, к составам металлокерамических покрытий, используемых для защиты проточной части турбин турбонасосных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих в высокотемпературном потоке окислительного генераторного газа, содержащего частицы сплава АМг6, являющегося инициатором возгорания.

Известно использование для защиты никелевых сплавов от возгорания стеклоэмалевых, стеклокерамических покрытий (С.С. Солнцев "Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали", М., Машиностроение, 1984, с. 200), получаемых по шликерно-обжиговой технологии на проточной части турбонасосного агрегата. Однако эти покрытия при температуре около 650^oC разрушаются в потоке инертного газа, содержащего частицы сплава АМг6, из-за хрупкости и малой эрозионной стойкости. К тому же они не формируются на никелевом слое.

Известно также никелевое покрытие, состоящее из NiCrAlY + ZrO₂ + MgO₂ (патент США N 4289447, НКИ 415-200, 1981). Это покрытие наносится гальваническим и электроплазменным методами, которые не обеспечивают необходимую равномерность толщины слоя покрытий на всех участках деталей сложной формы.

Наиболее близким к настоящему изобретению является композиция для получения металлокерамического покрытия, описанная в авторском свидетельстве СССР N 462808, МКИ C 03 C 8/16, 1975.

Композиция для получения известного покрытия содержит в своем составе, вес. ч.:
Эмалевая фритта - 100
Порошок никеля - 50-150
Оксид хрома - 0,1 - 1,2
Бентонит - 26
Поташ - 0,1 - 0,5
Состав эмалевой фритты, включает, мас.%:
Оксид кремния - 8,74
Оксид бора - 15,14
Оксид бария - 11,15
Оксид свинца - 64,97
Недостатком указанного покрытия, предназначенного для защиты деталей из стали и чугуна, является низкая рабочая температура 300 - 350^oC и унос покрытия с деталей, выполненных из никелевого сплава, при температурах выше 500^oC.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных характеристик металлокерамического покрытия, предназначенного для защиты деталей из никелевых сплавов, покрытых защитным слоем из никеля, в частности, проточной части турбин турбонасосных жидкостных ракетных двигателей.

Техническим результатом изобретения является получение металлокерамического покрытия деталей, выполненных из никелевого сплава с никелевым покрытием, обладающего повышенной стойкостью к термоциклическому и эрозионному воздействию высокоскоростного и высокотемпературного до 900^oC потока кислородсодержащего газа, содержащего инициирующие зажигание частицы, а также обеспечение выравнивания суммарной толщины обоих покрытий (никелевого и металлокерамического) на деталях сложной формы и укрепление никелевого покрытия.

Цель изобретения и указанный технический результат достигаются тем, что для получения металлокерамического покрытия композиция, содержащая никель, оксиды бария и бора, дополнительно содержит оксиды алюминия, церия, циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Никель - 36-58
Оксид бария - 16-19
Оксид бора - 7-13
Оксид алюминия - 6-9
Оксид церия - 14-19
Оксид циркония - 1-2
При использовании предлагаемой композиции на никелевом покрытии формируется металлокерамическое покрытие, выравнивающее суммарную толщину защитных слоев на деталях сложной формы, выполненных из никелевых сплавов, и укрепляющее никелевое покрытие. Полученное покрытие выдерживает без разрушения циклическое воздействие высокоскоростного и высокотемпературного потока окислительного генераторного газа.

Для апробирования предлагаемой композиции для получения металлокерамического покрытия на деталях из никелевых сплавов с никелевым покрытием были взяты мелкодисперсные порошки никеля (Ni), оксидов церия (CeO₂), циркония (ZrO₂), алюминия (Al₂O₃), бария (BaO), бора (B₂O₃). В полученную композицию добавляли воду и приготавливали шликер.

Наносили шликер на детали методом окунания, распыления или залива в зависимости от сложности формы детали.

Сушили шликерные слои на воздухе, в сушильной камере или в потоке горячего воздуха.

Обжигали покрытие при нагреве в печи в среде инертного газа, например аргона, при температуре 1000-1100^oC, в течение 0,5-1 ч.

Пример осуществления изобретения
В качестве образцов были взяты пластинки из никелевого сплава ЭП741 размером 30х40х2 мм, образцы - лопатки длиной 70 мм, шириной 12 мм, толщиной 3 мм и цельноизготовленное рабочее колесо турбины турбонасосного агрегата ЖРД со слоем покрытия на основе никеля, нанесенного гальваническим методом, толщиной 50-100 мкм.

Согласно рецептуре готовили шликер на основе композиции с содержанием компонентов, указанных в таблице 1, методом окунания, наносили на образцы и рабочее колесо, в качестве детали. Сушили образцы и деталь в потоке горячего воздуха. Обжигали образцы и деталь с нанесенным покрытием в контейнере, заполненном аргоном, при температуре 1000^oC в течение 30 мин.

Кроме того были изготовлены образцы пластины и образцы-лопатки с покрытием, полученным в соответствии с указанным выше авторским свидетельством СССР N 462808.

Оценивали прочность сцепления покрытия с подложкой, термическую устойчивость и стойкость к возгоранию образцов-лопаток с покрытием. О прочности сцепления судили по характеру скола от удара 0,5 кгсМ на копре. Термически устойчивым считали покрытие, выдерживающее без разрушения 50 термоциклов нагрева до 900^oC и охлаждения до 20^oC в воде и вновь нагрев.

Стойкость к возгоранию определяли в потоке газообразного кислорода при температуре до 900^oC, при подаче частиц сплава АМг6 размером менее 0,4 мм и массой 0,05 г.

Составы композиции для получения металлокерамических покрытий согласно настоящему изобретению с минимальными, максимальными и средними значениями содержания исходных компонентов и состав известной композиции приведены в табл. 1.

В результате экспериментальных исследований установлено, что уменьшение в предложенной композиции для получения металлокерамического покрытия содержания никеля ниже минимальных значений приводит к охрупчиванию покрытия, уменьшение количества оксида бора повышает температуру обжига, уменьшение содержания оксидов бария, алюминия, церия, циркония увеличивает количество стеклофазы, снижает температуру обжига и приводит к охрупчиванию покрытия и потере прочности сцепления с защищаемой поверхностью.

Увеличение содержания указанных выше компонентов, за исключением оксида бора, выше максимальных значений приводит к повышению температуры обжига, снижению механической прочности покрытия. Увеличение количества оксида бора приводит к увеличению стеклофазы, снижению температуры обжига и прочности сцепления. Режимы обжига и свойства покрытия приведены в таблице 2.

Как следует из представленных в таблице 2 данных, покрытие, полученное с применением предложенной композиции, обеспечивает достижение технического результата в виде повышения стойкости.

Предлагаемое покрытие надежно защищает никелевое покрытие, нанесенное на деталь, от возможного выкрашивания, имеет высокую прочность сцепления, не скалываясь от удара 0,5 кгсМ, обладает высокой термической устойчивостью.

Образцы с этим покрытием выдерживают без возгорания воздействие частиц сплава АМг6, вдуваемых в поток окислительного газа до 20 раз. Известное покрытие, предназначенное для сталей и чугуна, разрушается от удара с образованием скола-пробоя и не работоспособно при температуре 900^oC, будучи в перегретом состоянии низковязким, легко сдуваемым потоком газа. Опробование композиции для получения металлокерамического покрытия на рабочем колесе турбонасосного агрегата из никелевого сплава ЭП741НП с никелевым покрытием, как при разгонных испытаниях, так и при работе двигателя, даже со вдувом частиц сплава АМг6, показало, что полученное покрытие прочно удерживается на деталях сложной формы, в том числе и на острых кромках, заполняет полости с тонким никелевым слоем, увеличивая общую толщину защитного слоя, и не разрушается при воздействии вибрационных нагрузок. Использование предлагаемой композиции для получения металлокерамического покрытия на деталях и узлах сложной формы из никелевых сплавов с никелевым слоем обеспечит их работоспособность и надежность при циклическом воздействии высокоскоростного потока окислительного генераторного газа, содержащего частицы сплава АМг6, при температурах до 900^oC.