Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении для защиты пера лопаток турбин от высокотемпературного окисления и коррозии.

В промышленности известен способ защиты лопаток газовых турбин от коррозии и высокотемпературного окисления, включающий нанесение на подложку первого слоя покрытия из моноалюминида никеля с 10 - 40% W, второго слоя покрытия на основе моноалюминида никеля и вакуумный отжиг [1]. Высокое содержание вольфрама в первом слое ограничивает диффузию алюминия в подложку, что повышает защитные свойства покрытия по сравнению с покрытием из чистого моноалюминида никеля, а соответственно и его ресурс.

Недостатком известного способа является низкая рабочая температура покрытия 1050^oC, получаемая по известному способу и обусловленная диффузионной природой слоев покрытия.

Наиболее близким по технической сути к изобретению является способ защиты лопаток газовых турбин от высокотемпературной коррозии согласно патенту /2/, включающий последовательное 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 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 6-14
Алюминий - 10-13,5
Тантал - 1,5 - 4,5
Иттрий - 0,1 -0,8
Никель - Остальное
Недостатком известного способа является высокая диффузионная подвижность легирующих элементов на границе сплав - покрытие при рабочей температуре покрытия 1150 - 1200^oC, что ограничивает ресурс двухслойных покрытий как при высоких температурах ~1200^oC, так и при умеренных температурах до 1000^oC и ресурсах свыше (15 - 20)10³ч.

Технической задачей данного изобретения является увеличение ресурса покрытия в широком интервале его рабочих температур.

Это достигается тем, что предлагается способ получения защитного покрытия на лопатках газовых турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением первого слоя покрытия на поверхность пера лопатки осаждают вакуумно-дуговым методом слой из карбида металла, выбранного из группы титан, хром, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, ванадий или гафний, а слой из карбида металла наносят толщиной 1 - 6 мкм.

Введение дополнительной операции нанесения на поверхность пера лопатки вакуумно-дуговым методом слоя из карбида металла толщиной 1 - 6 мкм обеспечивает формирование на поверхности основы плотной (беспористой) карбидной прослойки с адгезией свыше 100 мПа, благодаря высоким энергиям частиц при осаждении (150 - 400 эВ), что является эффективным барьером, ограничивающим диффузию легирующих элементов из покрытия в основу и диффузию тугоплавких элементов и в первую очередь вольфрама и молибдена из основы в покрытие, ухудшающих защитные свойства покрытия при высоких температурах 1150-1200^oC. Высокий уровень адгезии карбидного слоя и вакуумный отжиг лопатки после осаждения внешнего слоя покрытия, приводящий к частичному рассасыванию карбидного слоя, обеспечивают высокую работоспособность многослойной композиции в широком интервале рабочих температур благодаря плавному изменению коэффициентов линейного расширения слоев от основы до внешнего слоя покрытия.

Сущность изобретения поясняется на примере.

Пример. Покрытие наносят на образцы и лопатки из жаропрочного никелевого сплава с направленной кристаллизацией типа ЖС26ВНК (сплав системы Ni-W-Co-Al-Cr-Nb-Mo-Ti-V-C). Покрытие наносят на промышленной ионно-плазменной установке МАП-1 по серийной технологии следующим образом.

Подготавливают покрываемые поверхности (образцы и лопатки) под нанесение покрытия (обезжиривают, опескоструивают электрокорундом, обдувают детали чистым сжатым воздухом, промывают в ультразвуковой ванне для окончательного удаления электрокорунда, сушат в вакуумном термошкафу).

Осаждают слой карбида металла (карбид титана или хрома) толщиной 1-6 мкм. Для осаждения образцы и лопатки устанавливают в кассеты, кассеты размещают в камеру напыления установки, создают в камере вакуум (P≅10^-3 Па). Осаждение карбида металла проводят по режиму: ток дуги генератора металлической плазмы 700 А; напряжение дуги 35 - 38 В, напряжение на деталях (образцах и лопатках) в режиме ионной очистки ≥300 В; давление реактивного газа - ацетилена 6,5•10^-2 - 3,4•10^-1 Па (газ подают после завершения ионной очистки, продолжительность ионной очистки 3-5 мин); напряжение на деталях при осаждении карбида 80 - 200 В в зависимости от массы детали; температура осаждения карбидов составляет 450 - 600^oC; время осаждения 4 - 24 мин. Затем детали охлаждают в высоком вакууме в течении 2 ч и выгружают кассеты из камеры напыления.

Подготавливают установку к нанесению слоя жаростойкого сплава на основе никеля (очищают камеру напыления и меняют катод из испаряемого материала). Загружают кассеты в камеру напыления, откачивают ее до высокого вакуума P≅ 10³ Па и наносят слой жаростойкого сплава СДП-2 по ТУ 812 - 0065 - 85 (жаростойкий сплав системы Ni - 20% Cr - 12,5% Al - 0,3% Y;% по массе), толщиной 75 - 80 мкм по режиму: ток вакуумной дуги 750 А, напряжение на дуге 36-38 В, напряжение на деталях (образцах и лопатках) в режиме ионной очистки ≥280 В; продолжительность ионной очистки 3-5 мин; напряжение на деталях при осаждении покрытия ≥20 В; время осаждения покрытия 3 ч 30 мин. Затем детали охлаждают в высоком вакууме и выгружают кассеты из камеры напыления.

Подготавливают установку к нанесению внешнего слоя покрытия (очищают камеру напыления и меняют катод из испаряемого материала). Загружают кассеты в камеру напыления, откачивают ее до высокого вакуума P≅10^-3 Па и наносят внешний слой покрытия из сплава ВСДП-11 (жаростойкий сплав системы Al - 5% Si - 1,5%Y по ТУ 1-595- 27-187-84), толщиной 15 - 20 мкм по режиму: ток вакуумной дуги 500 А, напряжение на дуге 35-36 В, напряжение на деталях в режиме ионной очистки ≥250 В; продолжительность ионной очистки 3 мин; время осаждения покрытия 45 мин - 1 ч. После детали охлаждают в высоком вакууме и выгружают кассеты из камеры напыления.

Вакуумный отжиг деталей с нанесенным покрытием производят по режиму: температура 1050^oC, время отжига 3 ч.

Наличие карбидного слоя толщиной 1 - 6 мкм обеспечивает повышение в 1,2-2 раза циклической жаростойкости композиции жаропрочный сплав - жаростойкое покрытие при температуре испытаний 1150-1200^oC и продолжительности цикла нагрева и охлаждения 1 ч. При меньшей толщине карбидного слоя эффект по повышению циклической жаростойкости становится соизмеримым с точностью измерений, а при толщинах свыше 6 мкм наблюдается отслоение покрытия по карбидной прослойке, что связано с большими внутренними напряжениями из-за отличия коэффициентов линейного расширения жаропрочного сплава и карбида. При изменении состава внутреннего и внешнего слоев покрытия можно получать покрытия стойкие к сульфидной коррозии при температуре до 1000^oC. Наличие карбидной прослойки в таких композициях увеличивает циклическую коррозионную стойкость в расплаве Na₂SO₄ более чем в два раза.

Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток турбин могут содержать следующие карбидообразующие элементы: Ti, Cr, Mo, W, V, Nb, Та и Hf. Наиболее стабильными карбидами типа МС (М-металл) являются TaC и HfC, далее - NbC, TiC, VC и Cr₃C₂. Поэтому для лопаток турбин из жаропрочных сплавов, легированных Та, Та и Hf, Hf, целесообразно в качестве карбида металла использовать карбиды тантала или гафния или ниобия, что в целом способствует повышению термостабильности защитного покрытия и увеличению ресурса покрытия при высоких температурах ~ 1250^oC. Исходя из экономических соображений при создании трехслойного защитного покрытия целесообразно использование карбидов титана и хрома.

Вакуумно-дуговое осаждение беспористого карбидного слоя перед осаждением внутреннего слоя жаростойкого сплава на основе никеля повышает циклическую жаростойкость и коррозионную стойкость композиционных покрытий в 1,2-2 раза, а ресурс работы лопаток в целом на 50-60%. Одновременно наличие карбидного слоя, ограничивающего диффузионные потоки на границе сплав - покрытие, обеспечивает увеличение максимальной рабочей температуры покрытия с 1200 до 1250^oC, что важно для лопаток турбин теплонапряженных ГТД.

Применение изобретения в промышленности для получения нового класса защитных жаростойких и коррозионностойких покрытий на лопатки турбин позволит значительно (до двух раз) повысить ресурс лопаток, что даст значительный экономический эффект, т.к. лопатка является одной из дорогих и массовых деталей газотурбинного двигателя.

Литература:
1. Патент США N 3 450 572
2. Патент РФ N 2033474 по классу С 23 С 14/00, опубл. 20.04.95, бюл. N 11.