способ получения защитного покрытия на деталях

Формула изобретения

Способ получения защитного покрытия на деталях, включающий нанесение на поверхность детали, по меньшей мере, одного металлического слоя и керамического слоя на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия, и упрочнение керамического слоя, отличающийся тем, что после нанесения первого металлического слоя проводят алитирование или хромоалитирование, а упрочнение керамического слоя осуществляют путем нанесения на него, по меньшей мере, трех керамических слоев на основе оксида циркония, содержащих 6-9% оксида иттрия и 3-30% оксида алюминия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к покрытиям, защищающим детали от воздействия высоких температур, в частности к способам получения защитных (жаростойких) покрытий на деталях, и может найти применение в авиадвигателестроении, машиностроении, энергетике и других отраслях техники для защиты, например, лопаток и камер сгорания газотурбинных двигателей, поршней для двигателей внутреннего сгорания от высоких температур.

Известен способ получения защитного покрытия, включающий последовательное нанесение двух металлических слоев и керамического слоев, при этом металлические слои наносят в вакууме и после нанесения металлического слоя проводят диффузионный вакуумный отжиг, керамический слой наносят толщиной 70-300 мкм, после чего керамический слой покрытия упрочняют высокотемпературной импульсной плазмой с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050°С не менее 5 часов (см. патент RU №2089655, кл. С23С 14/06, опубл. 10.09.1997).

Однако нанесенное таким способом покрытие ненадежно и недолговечно при работе, так как при получении покрытия данным способом в керамическом слое наблюдается наличие дефектов в виде каналов и полостей, через которые происходит доступ кислорода рабочей (газовой среды) к металлу и, как следствие, окисление металлического покрытия под керамикой, что приводит к отслоению керамики и ее преждевременному растрескиванию.

Технический результат заявленного предложения - повышение надежности и долговечности защитного покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения защитного покрытия на деталях, включающем нанесение на поверхность детали, по меньшей мере, одного металлического слоя и керамического слоя на основе оксида циркония, содержащего оксид иттрия, и упрочнение керамического слоя, согласно изобретению после нанесения первого металлического слоя проводят алитирование или хромоалитирование, а упрочнение керамического слоя осуществляют путем нанесения на него, по меньшей мере, трех керамических слоев на основе оксида циркония, содержащих 6-9% оксида иттрия и 3-30% оксида алюминия.

На поверхность детали наносят, по меньшей мере, один металлический слой. Количество металлических слоев может быть два и более. Однако алитирование или хромоалитирование необходимо производить только после нанесения первого слоя, так как в этом случае происходит дополнительное легирование алитированного или хромоалитированного слоя элементами металлического слоя и обеспечивается высокая прочность сцепления покрытия с поверхностью детали.

Операция алитирования или хромоалитирования необходима для обогащения покрытия алюминием и его сплавами с кремнием, и/или цирконием, и/или иттрием, и/или иттербием, и/или эрбием, и/или лантаном, и/или церием.

Причем может быть содержание иттрия, эрбия, церия, иттербия, лантана 5%, содержание кремния 12%, циркония 0,5%.

В зависимости от условий эксплуатации изделия, в каждом конкретном случае, выбирают насыщать поверхность детали алюминием (алитирование) или алюминием с хромом (хромоалитирование). При высоких термомеханических нагрузках целесообразно использовать хромоалитирование, а при низких - достаточно использовать алитирование.

Добавка оксида алюминия от 3 до 30% в керамические слои увеличивает прочность керамического слоя и его эрозионную стойкость, снижает проницаемость кислорода через слой керамики к металлу. При увеличении концентрации оксида алюминия более 30% наблюдается снижение вязкости и трещиностойкости керамических слоев, а при содержании оксида алюминия менее 3% происходит процесс окисления металлического покрытия под керамикой из-за высокой проницаемости кислорода рабочей газовой среды к металлу, что приводит к снижению надежности покрытия.

Количество слоев керамики из оксида алюминия в количестве 3-30%, оксида циркония и оксида иттрия не менее трех. При количестве слоев менее 3-х не будет достигнуто необходимое упрочнение керамического слоя, становится малозначимым торможение диффузии кислорода от газовой среды к металлу, возрастает скорость коррозии металла, снижается адгезия керамики и надежность покрытия. Верхний предел количества слоев выбирают в зависимости от условий эксплуатации и назначения детали, на которой это покрытие получают. В каждом конкретном случае количество слоев выбирают расчетным путем. Так, если покрытие получают на лопатках газовых турбин, максимальное количество керамических слоев пять-шесть, при получении покрытия на поршнях ДВС количество слоев семь-восемь.

Слои наносят известными способами, такими как вакуумно-плазменный, диффузионный, электронно-лучевой, катодное или лазерное напыление.

Реализация способа рассмотрена на примере получения защитного (жаростойкого) покрытия на охлаждаемых лопатках газовых турбин, работающих при высоких температурах до 1750°С.

Пример 1. На поверхность лопатки наносят на вакуумной плазменной установке при токе на детали 8 А и напряжении 30 В первый металлический слой из сплава на никелевой основе: Ni - основа, Cr 15%, Al 8%, W 4%, Re 2,1%, Та 1,5%, Hf 2,0%, Si 0,8%, Y 0,6% толщиной 30 мкм. Затем лопатки подвергают алитированию при температуре 1000°С в течение 4 часов, после этого проводят тепловую обработку в газостате (газостатирование) при 1000°С в течение 3 часов и напыляют второй слой металлического сплава на основе Al: Al - основа, Si 11%, Y 1,8%. Затем проводят диффузионный отжиг при 1000°С. Далее в вакууме на электронно-лучевой установке напыляют слой керамики ZrO₂·(6-9)%Y ₂O₃ толщиной 160 мкм и получают керамическое покрытие со столбчатой структурой. Для его упрочнения, на поверхность этого слоя напыляют электронно-лучевым способом три слоя керамики [ZrO₂·(6-9)%Y₂ O₃]·20%Al₂О ₃ толщиной каждого слоя 1-3 мкм.

Пример 2. На поверхность охлаждаемой лопатки газовой турбины наносят способом электродугового катодного распыления металлический слой на никелевой основе: Ni - основа, Cr 18%; Al 8%; Та 10%; Hf 2,0%; Si 1,2%, Yb 0,8%; Се 0,6% толщиной 40 мкм. Затем лопатки подвергают хромоалитированию при температуре 1080°С в течение 4 часов для осаждения слоя диффузионного покрытия на внешней поверхности, а также в полости и каналах. После хромоалитирования на электронно-лучевой установке осаждают пять слоев керамики [ZrO₂·(6-9)%Y ₂O₃]·20%Al₂ О₃ толщиной каждого слоя 1-3 мкм для упрочнения и снижения кислородной проницаемости керамики на детали.