Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАННОГО ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, и в особенности газовых турбин авиадвигателей.

Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические ГТУ и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, относятся рабочие лопатки турбины. Турбинные лопатки работают в достаточно жестких условиях: высокие температуры, агрессивные среды (кислород, сера, окислы ванадия и другие элементы), значительные знакопеременные механические нагрузки и резкие теплосмены. Существующие тенденции совершенствования турбомашин приводят к еще большему ужесточению указанных условий эксплуатации и к повышению стоимости деталей. Все это требует применения на лопатках турбин более эффективных защитных покрытий. Одним из путей повышения температуры в турбине при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП). Керамические ТЗП, при их достаточной толщине, могут ощутимо снизить теплоприток к основному материалу охлаждаемой лопатки и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.

Наиболее перспективным материалом для формирования теплозащитного слоя ТЗП является керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO₂·Y₂O₃). Для обеспечения адгезии керамического слоя и защиты основного материала детали от окисления ТЗП имеет жаростойкий подслой.

Известен способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины [патент РФ №2325467, МПК С23С 4/10. Способ получения создающего термический барьер покрытия. Я.Вигрен, М.Ханссон. Вольво аэро корп. 2008], включающий предварительную обработку поверхности лопатки и нанесение связующего подслоя, жаростойкого слоя системы MeCrAlY и теплозащитного керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Кроме того, известен способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины (патент США №4,904,542 "Многослойное коррозионно-стойкое покрытие"), включающий газотермическое нанесение многослойного покрытия, состоящего из чередующихся керамических и металлических слоев. Также известно многослойное высокотемпературное покрытие, состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящая в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. Материал металлических слоев выбирается исходя из характеристик его стойкости к эрозии. Это ведет к тому, что при наличии перепадов температуры как по толщине, так и по его поверхности в материале металлического слоя возникнут термические напряжения, которые будут переданы керамике, имеющей низкую прочность на растяжение.

Известен также способ получения теплозащитного покрытия, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий подготовку поверхности лопатки, формирование подслоя, путем нанесения жаростойкого слоя и переходного слоя, нанесение на переходный слой внешнего керамического слоя на основе ZrO₂, стабилизированного Y₂О₃ (патент РФ №2078148). Известный способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины включает также предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония, стабилизированного 7-9 мас.% оксида иттрия (ZrO₂·7% Y₂О₃), и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиг.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения армированного теплозащитного покрытия, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающий нанесение подслоя и формирование на подслое армированного керамического слоя (А.Хасуй. Техника напыления. М.: Машиностроение, 1975. Патент США №6610420 // МПК В32В 015/04; F03B 003/12 // Thermal Barrier coating system of a turbine engine component, 2003).

Известен способ подготовки поверхности детали под нанесение многослойного покрытия на металлические изделия методом катодного распыления, включающий ионную очистку и/или модификацию поверхности изделия [патент РФ №2228387. МПК С23С 14/06. Способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия. Опубл. 2004 г.]. Однако функциональным назначением ионно-имплантационной обработки поверхности в данном случае не является повышение жаростойкости слоя.

Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость подслоя и недостаточно высокие эксплуатационные свойства керамического слоя, сложность получения армирующей составляющей в керамическом слое и как следствие этого - высокая трудоемкость процесса формирования покрытия, а также недостаточная выносливость и циклическая прочность деталей с покрытием, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и установок.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных свойств теплозащитного покрытия, снижение трудоемкости, при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Технический результат достигается тем, что в способе получения армированного теплозащитного покрытия рабочих лопатках турбин газотурбинных двигателей или энергетических установок, включающем нанесение подслоя из жаростойкого сплава и формирование на подслое армированного керамического слоя, в отличие от прототипа, армированный керамический слой формируют поэтапно, причем сначала наносят дискретный керамический слой в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя, затем на дискретный керамический слой и открытые участки подслоя наносят, по крайней мере, один дискретный металлический слой в виде полос или сетки площадью от 4% до 98% от общей поверхности формируемого покрытия и толщиной от 0,8 мкм до 5 мкм и затем наносят внешний сплошной керамический слой.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения армированного теплозащитного покрытия перед нанесением подслоя производят ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения армированного теплозащитного покрытия в качестве подслоя наносят жаростойкий сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, или жаростойкий сплав состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Аl - остальное, причем, как варианты: подслой наносят с чередующейся имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si с формированием подслоя в виде микрослоев, разделенных имплантированными микро- или нанослоями; перед нанесением подслоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; количество микрослоев в подслое составляет от 3 до 1000; при формировании подслоя, перед нанесением дискретного слоя керамического материала, дополнительно наносят переходный слой одного или нескольких элементов Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплава из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1 мкм до 10 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения армированного теплозащитного покрытия в качестве дискретного керамического слоя и внешнего керамического слоя наносят слой ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5..9 вес.%, ZrO₂ - остальное, причем толщина армированного керамического слоя составляет от 20 мкм до 350 мкм, дискретный керамический слой наносят толщиной от 18 до 340 мкм, но не более 97% от общей толщины армированного керамического слоя, в качестве дискретного металлического слоя наносят слой одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, или сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения армированного теплозащитного покрытия нанесение слоев армированного теплозащитного покрытия осуществляют газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме и, как вариант, после нанесения покрытия производят его диффузионный отжиг.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения армированного теплозащитного покрытия ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см² и, как вариант, перед ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки производят упрочняющую обработку микрошариками.

Для оценки стойкости лопаток газовых турбин с теплозащитными покрытиями, полученными по известному и предлагаемому способам, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения покрытий на образцы из никелевых и кобальтовых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000) приведены в таблице 1.

Дискретный слой керамического материала наносился в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя. При этом для охвата всего диапазона указанных площадей использовались экраны с изменением площади экранирования по протяженности от 0% до 100%. Это позволило сформировать и исследовать армированное керамическое покрытие в диапазоне площадей островковых керамических участков от 0% (полное экранирование при нанесении керамики) до 100% нанесения керамики сплошным слоем. Подобным же образом на керамический дискретный слой и открытые участки подслоя наносили дискретный металлический слой в виде полос и сетки, охватывая диапазон от 0% до 100%. При этом для получения полос армирующей фазы покрытия использовали экран с протяженными прорезями, а для получения сетки наносили дважды через экран с прорезями, разворачивая его относительно предыдущего его положения для пересечения с предыдущими полосами. Испытания на термоциклирование, имитирующее условие эксплуатации ГТД, показало, что наиболее оптимальной конструкцией покрытия является покрытие, сформированное при площади островковых участков дискретного керамического слоя от 2% до 96 (или от 4% до 98% открытых, междуостровковых участков) от общей поверхности формируемого покрытия, с дискретным металлическим слоем в виде полос или сетки площадью от 4% до 98% от общей поверхности формируемого покрытия и толщиной от 0,8 мкм до 5 мкм. В качестве дискретного слоя керамического материала и внешнего керамического слоя используют ZrO₂-Y₂О₃ в соотношении Y₂О₃ - 5..9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Толщина армированного керамического слоя составляла от 20 мкм до 350 мкм. В качестве материалов дискретного металлического слоя были исследованы вариации в виде одого из металлов Nb, Pt, Hf, Сr и их сочетания, а также варианты сплавов состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, и составов: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, и их сочетания, которые показали на возможность их применения для получения армирующей фазы.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см² (диффузионный отжиг в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч). Материал слоев и схема их чередования - согласно таблице 1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу внутренний слой - толщиной 40 мкм и 80 мкм, внешний слой - 80 мкм и 40 мкм. При формировании по предлагаемому способу толщина внутреннего жаростойкого слоя составляла от 2 мкм до 10 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составляло от 3 до 200; толщина внешнего жаростойкого слоя составляла от 10 мкм до 60 мкм, а количество микро- или нанослоев - от 3 до 1000. В качестве дискретного слоя керамического материала и внешнего керамического слоя использовались ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5..9 вес.%, ZrO₂ - остальное. При этом толщина армированного керамического слоя составляла от 20 мкм до 350 мкм.

Проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. Результаты испытаний показали следующее: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток составляет:

1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 220-235 МПа;

2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 260-290 МПа, кобальтовые - 250-275 МПа (таблица 2).

Изотермическая жаростойкость покрытий оценивалась на образцах диаметром d=10 мм и длиной l=30 мм. Образцы с покрытиями помещались в тигли и выдерживались на воздухе при температуре Т=1200°С. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялись путем визуального осмотра через каждые 50 часов испытаний при температуре 1200°С. Взвешивание образцов вместе с окалиной производилось через 500 и 1000 ч испытаний, при этом определялась величина удельного прироста массы образца на единицу его поверхности по сравнению с исходным весом ΔР, г/м². Полученные результаты представлены в таблице 3.

Стойкость покрытий к теплосменам оценивалось по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл теплосмены представлял собой нагрев образца до 1150°С, температурную выдержку в течение 15 мин и охлаждение в воде до температуры 20°С. После каждого цикла теплосмены по наличию отслоений оценивалась стойкость покрытия. Данные по сравнительным испытаниям на термостойкость показали, что в среднем количество теплосмен до полного разрушения у покрытия-прототипа составило 14 циклов, а у покрытий, нанесенных по предлагаемому способу, - от 32 до 47 циклов.

Повышение стойкости к теплосменам, жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3) указывает на то, что при применении следующих вариантов получения армированного теплозащитного покрытия: нанесение подслоя из жаростойкого сплава и формирование на подслое армированного керамического слоя, при формировании армированного керамического слоя поэтапно: сначала наносят дискретный керамический слой в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя, затем на дискретный керамический слой и открытые участки подслоя наносят, по крайней мере, один дискретный металлический слой в виде полос или сетки площадью от 4% до 98% от общей поверхности формируемого покрытия и толщиной от 0,8 мкм до 5 мкм и затем наносят внешний сплошной керамический слой, также при применении следующих вариантов формирования покрытия: проведение перед нанесением подслоя ионной очистки и ионно-имплантационной обработки поверхности лопатки ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si; нанесение в качестве подслоя жаростойкого сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, или нанесение жаростойкого сплава состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное; нанесение подслоя с чередующейся имплантацией ионами одного или нескольких элементов Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si с формированием подслоя в виде микрослоев, разделенных имплантированными микро- или нанослоями; дополнительно нанесение перед нанесением подслоя на поверхность лопатки слоя одного или нескольких металлов Nb, Pt, Cr толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; обеспечение толщины жаростойкого слоя от 5 мкм до 60 мкм; обеспечение количества микрослоев в жаростойком слое от 3 до 1000; нанесение при формировании подслоя, перед нанесением дискретного слоя керамического материала, дополнительно переходного слоя одного или нескольких элементов Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплава из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, причем толщина переходного слоя составляет от 1 мкм до 10 мкм; нанесение в качестве дискретного керамического слоя и внешнего керамического слоя слоя ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5..9 вес.%, ZrO₂ - остальное, причем толщина армированного керамического слоя составляет от 20 мкм до 350 мкм; нанесение дискретного керамического слоя толщиной от 18 до 340 мкм, но не более 97% от общей толщины армированного керамического слоя; нанесение армированного керамического слоя толщиной от 20 мкм до 350 мкм, а в качестве дискретного металлического слоя нанесение слоя одного или нескольких металлов Nb, Pt, Hf, Cr, или сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное; осуществление нанесения слоев армированного теплозащитного покрытия газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; после нанесения покрытия проведение его диффузионного отжига; проведение ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см²; проведение перед ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки упрочняющей обработки микрошариками - позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышение эксплуатационных свойств теплозащитного покрытия, снижение трудоемкости, при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.