способ получения покрытия на подложке (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения покрытия на подложке, включающий нанесение покрытия путем электролитического осаждения металлической матрицы М₁ из ванны, содержащей частицы CrAlM₂, для того, чтобы соосадить частицы с матрицей, в котором M₁ является по крайней мере одним элементом, выбранным из группы, состоящей из Ni, Co, и Fe, а M₂ является по крайней мере одним элементом, выбранным из группы, состоящей из Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt и редкоземельных элементов, отличающийся тем, что осаждение осуществляют при плотности тока менее чем 3 мА/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы в ванне включают порошок с размером частиц менее 15 мкм.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что во время осаждения металлической матрицы и частиц осаждают монослой или двойной слой.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют алюминирование, хромирование или силицирование соосажденного материала.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно наносят слой платины толщиной от 5 до 10 мкм на верхнюю поверхность осажденного материала.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что осуществляют соосаждение на подложку слоя металлической матрицы и частиц толщиной 15 мкм, алюминирование, хромирование или силицирование соосажденного материала и тепловую обработку в вакууме, причем если тепловую обработку соосажденного материала проводят перед алюминированием, хромированием или силицированием, то ведут ее при 1000-1100^oC в течение 1 ч, а если тепловую обработку соосажденного материала проводят после алюминирования, хромирования или силицирования, то ведут ее при температуре около 1100^oC в течение приблизительно 1 ч с получением толщины покрывающего материала на подложке менее 75 мкм.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что дополнительно осаждают тепловой барьерный слой в качестве конечного слоя после осаждения.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что подложку выбирают из группы, состоящей из вала газовой турбины, обода, диска, составляющих элементов камеры сгорания, лопасти статора, лопатки рабочего колеса турбины, направляющей лопатки, профиля крыла лопатки газовой турбины, хвостового участка лопатки газовой турбины и наружного обода лопатки газовой турбины.

9. Способ получения покрытия на подложке, включающий нанесение покрытия путем электролитического осаждения металлической матрицы M₁ из ванны, содержащей частицы CrAlM₂, для того, чтобы соосадить частицы с матрицей в форме слоя, в котором M₁ является по крайней мере одним элементом, выбранным из группы, состоящей из Ni, Co и Fe, а M₂ является по крайней мере одним элементом, выбранным из группы, состоящей из Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt и редкоземельных элементов, отличающийся тем, что осаждение осуществляют при плотности тока менее чем 5 мА/см², а толщина слоя составляет менее чем 50 мкм.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что частицы в ванне включают порошок с размером частиц менее 15 мкм.

11. Способ по любому из пп.9 и 10, отличающийся тем, что во время осаждения металлической матрицы и частиц осаждают монослой или двойной слой.

12. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют алюминирование, хромирование или силицирование соосажденного материала.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что дополнительно наносят слой платины толщиной от 5 до 10 мкм на верхнюю поверхность осажденного материала.

14. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что осуществляют соосаждение на подложку слоя металлической матрицы и частиц толщиной 15 мкм, алюминирование, хромирование или силицирование соосажденного материала и тепловую обработку в вакууме, причем если тепловую обработку соосажденного материала проводят перед алюминированием, хромированием или силицированием, то ведут ее при 1000-1100^oC в течение 1 ч, а если тепловую обработку соосажденного материала проводят после алюминирования, хромирования или силицирования, то ведут ее при температуре около 1100^oC в течение приблизительно 1 ч с получением толщины покрывающего материала на подложке менее 75 мкм.

15. Способ по любому из пп.9-14, отличающийся тем, что дополнительно осаждают тепловой барьерный слой в качестве конечного слоя после осаждения.

16. Способ по любому из пп.9-15, отличающийся тем, что подложку выбирают из группы, состоящей из вала газовой турбины, обода, диска, составляющих элементов камеры сгорания, лопасти статора, лопатки рабочего колеса турбины, направляющей лопатки, профиля крыла лопатки газовой турбины, хвостового участка лопатки газовой турбины и наружного обода лопатки газовой турбины.

17. Способ получения покрытия на подложке, включающий нанесение покрытия путем электролитического осаждения металлической матрицы M₁ из ванны, содержащей частицы CrAlM₂, для того, чтобы соосадить частицы с матрицей, в котором M₁ является по крайней мере одним элементом, выбранным из группы, состоящей из Ni, Co и Fe, а M₂ является по крайней мере одним элементом, выбранным из группы, состоящей из Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt и редкоземельных элементов, отличающийся тем, что осаждение осуществляют при плотности тока менее чем 5 мА/см² и при загрузке ванны менее чем 40 г частиц/л.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что частицы в ванне включают порошок с размером частиц менее 15 мкм.

19. Способ по любому из пп.17 и 18, отличающийся тем, что во время осаждения металлической матрицы и частиц осаждают монослой или двойной слой.

20. Способ по любому из пп.17-19, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют алюминирование, хромирование или силицирование соосажденного материала.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что дополнительно наносят слой платины толщиной от 50 до 10 мкм на верхнюю поверхность осажденного материала.

22. Способ по любому из пп.17-21, отличающийся тем, что осуществляют соосаждение на подложку слоя металлической матрицы и частиц толщиной 15 мкм, алюминирование, хромирование или силицирование соосажденного материала и тепловую обработку в вакууме, причем если тепловую обработку соосажденного материала проводят перед алоюминированием, хромированием или силицированием, то ведут ее при 1000 - 1100^oC в течение 1 ч, а если тепловую обработку соосажденного материала проводят после алюминирования, хромирования или силицирования, то ведут ее при температуре около 1100^oC в течение приблизительно 1 ч с получением толщины покрывающего материала на подложке менее 75 мкм.

23. Способ по любому из пп.17-22, отличающийся тем, что дополнительно осаждают тепловой барьерный слой в качестве конечного слоя после осаждения.

24. Способ по любому из пп.17-23, отличающийся тем, что подложку выбирают из группы, состоящей из вала газовой турбины, обода, диска, составляющих элементов камеры сгорания, лопасти статора, лопатки рабочего колеса турбины, направляющей лопатки, профиля крыла лопатки газовой турбины, хвостового участка лопатки газовой турбины и наружного обода лопатки газовой турбины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обеспечению защитных покрытий, например покрытий, имеющих наплавленный слой, на подложках. Такие покрытия применяют на составляющих элементах, которые подвергаются воздействию высокотемпературных сред, в частности, где особенно вероятными являются коррозия и/или эрозия. Основное, но не обязательно единственное применение таких покрытий состоит в использовании их на составных частях газотурбинных двигателей, в особенности на составляющих элементах, изготовленных из сверхпрочных сплавов, например валах газовой турбины, ободах, дисках, на составляющих элементах камеры сгорания, лопастях статора и лопатках рабочего колеса турбины и на направляющих лопатках. Изобретение также относится к таким деталям, и к оборудованию, и к транспортным средствам или к стационарным установкам, включающим такие детали.

В течение долгого времени считали, что составляющие элементы газовых турбин, в особенности их внутренние элементы, находящиеся поблизости от камеры сгорания и расположенные ниже по течению, должны иметь высокую прочность и коррозионную стойкость при высокой температуре.

Известно, что для придания таким составляющим достаточного предела прочности при высоких температурах их изготавливают из сверхпрочного материала, имеющего структуру, способную выдерживать нагрузку. Типичными используемыми сверхпрочными сплавами, в зависимости от требований к конкретным использованиям, являются сверхпрочные сплавы на основе Ni, Co и Fe (примерами являются такие сплавы, которые известны под фабричными марками IN100, IN718, IN738, MAR-M002, MAR-M247, CMSX-4, PWA 1480 и PWA 1484). Сверхпрочные сплавы на основе Fe и Co часто представляют собой упрочненные твердые растворы. Сплавы на основе Ni в качестве основной составляющей имеют Ni и часто содержат некоторые количества Cr, Co, Fe, Mo, W или Ta, и часто представляет упрочненный твердый раствор или дисперсионно-твердеющий сплав. Дисперсионно-твердеющие сплавы на основе никеля широко используют для составляющих элементов газовой турбины, и они часто содержат для получения второй фазы, осажденной в ходе соответствующей тепловой обработки Al, Ti или Nb.

Примерами дисперсионно-твердеющих сверхпрочных сплавов на основе Ni, используемых для составляющих элементов газовой турбины, являются такие, которые известны под фабричными марками INCO 713, B-1900, IN100, MAR-M200 и MAR-M247. Примерами сверхпрочных сплавов на основе Co являются MAR-M509 и Haynes 188, и примерами сверхпрочных сплавов на основе Fe являются Incoloy 802 и Incoloy 903. Составляющие элементы газовой турбины, изготовленные из сверхпрочных сплавов, иногда подвергаются обработке давлением или отливке и для чрезвычайных рабочих условий могут быть непосредственно отверждены или могут существовать в виде монокристаллической структуры.

Так как сам сверхпрочной сплав обычно не способен противостоять агрессивной окислительной атмосфере при обслуживании, на практике принято покрывать составляющие элементы, изготовленные из сверхпрочного сплава, коррозионностойким материалом.

Одним из применений на практике является алюминирование сверхпрочного сплава. Его обычно осуществляют с использованием так называемого процесса уплотненного алюминирования или посредством физического осаждения из фазы. Эти процессы включают диффузию Al в сверхпрочный сплав, при этом в случае сверхпрочных сплавов на основе Ni образуются алюминиды, например NiAl. При обслуживании образуется предназначенный для защиты материала поверхностный слой Al₂O₃, который, вследствие термического расширения и сжатия, имеет склонность к отслаиванию. Его постоянно восстанавливают посредством диффузии Al снаружи, и в конечном счете, когда уже больше не существует Al в количестве, достаточном для замены отслоенного материала на конкретном участке, составляющий элемент, изготовленный из сверхпрочного сплава, будет подвергаться быстрой местной коррозии. Хром и кремний, вместе или поодиночке, и в отдельности или в дополнение к алюминию, могут также диффундировать в сверхпрочный сплав, образуя поверхностный слой, включающий хромиды или силициды. Хотя в дальнейшем будет делаться ссылка, главным образом, на алюминирование, следует понимать, что такую ссылку необходимо интерпретировать как альтернативно относящуюся к хромированию и/или силицированию.

Еще одним применением на практике является покрытие сверхпрочного сплава наплавленным слоем, например MCrAlY, MCrAlHf, MCrAlYHf, MCrAlYHfSi и MCrAlTaY, где M является Co, или Ni, или Fe, или их смесью. Добавление Y, Si или Hf помогает предотвратить отслоение Al₂O₃ от поверхности, и таким образом, увеличивает срок службы составляющего элемента. Эти материалы могут бить нанесены путем плазменного напыления; или путем процесса соосаждения, например такого процесса, который мы описали в нашем патенте GB-B-2167446. Обычно принято покрывать составляющий элемент этими материалами таким образом, чтобы получить слой толщиной от 75 до 200 мкм или более. Процессы покрытия являются дорогостоящими и состовляющие элементы, имеющие толщину покрытия указанного порядка, имеют срок службы, достаточный для оправдания таких затрат.

Проблема с покрытиями, имеющими толщину слоя указанного порядка, состоит в том, что в условиях обслуживания, становящихся постепенно все более экстремальными в большинстве современных газовых турбин, подвержены термомеханическому усталостному растрескиванию, и это является крайне нежелательным, в частности, если покрытие наносят на тонкостенный полый составляющий элемент, например лопатку турбины, поскольку растрескивание покрытия может вызвать повреждение лопатки.

В патенте США N A-4897315 описано плазменное напыление NiCoCrAlY слоем 25,4 мкм на сверхпрочной сплав на основе Ni в форме монокристалла. После плазменного напыления покрытие подвергали стеклодробеструйной обработке, алюминировали уплотняющей цементационной смесью и, в конечном счете, осуществляли стадии диффузии и осаждения во время тепловой обработки. В описании к патенту указано, что предпочтительным способом нанесения MCrAlY покрытия является плазменное напыление, но в описании есть также общее заключение о том, что MCrAlY может быть нанесен, например, путем плазменного напыления, электронно-лучевой эмиссии, нанесения электролитического покрытия, металлизации напылением или путем нанесения покрытия из пульпы. Тот факт, что нанесенный таким образом слой MCrAlY не очень ровный, очевидно является одной из причин для осуществления в этом способе операции дробеструйной обработки.

Хотя в патенте США A-4897315 упоминаются другие способы осаждения MCrAlY, конкретные способы, в результате реализации которых можно получить покрытие, имеющее как превосходную стойкость, так и превосходную ударную вязкость при циклическом изменении температуры, неизвестны. Полагают, что любой известный способ нанесения покрытия или приводит к получению покрытия, которое является слишком пористым, при этом трудно регулировать толщину покрытия, или к получению покрытия, которое имеет тенденцию к растрескиванию при циклическом изменении температуры.

В нашем патенте GB-B-2254338 мы представили способ соосаждения CoCrAlY при плотности тока 3 мА/см²и концентрации порошка в ванне 70 г/л в течение 24-х часов, при этом получили покрытие толщиной между 50 и 125 м. Хотя некоторые из параметров способа нанесения покрытия, описанных в GB-B-2254338, имеют величины, подобные тем, которые использованы в примере, приведенном ниже для иллюстрации настоящего изобретения, представляется, что различия оказывают значительные воздействия на структуру покрытия, полученного на практике. Патент GB-B-2254338 особенно направлен на устройство и способ, предназначенные для преодоления проблем, связанных со сложностями нанесения покрытия или с резко изменяющимися формами, и не направлен на решение проблем, которые разрешает настоящее изобретение.

Настоящее изобретение направлено на разрешение проблем предшествующего уровня техники в данной области и, в частности, оно нацелено на обеспечение способа, дающего возможность получения покрытия, которое является непористым, гладким, обеспечивающего хорошее регулирование толщины покрытия на всех участках, которое не очень подвержено растрескиванию при циклических изменениях температуры.

В соответствии с первый аспектом настоящего изобретения обеспечен способ получения покрытия на подложке, который включает нанесение покрытия путем электролитического осаждения металлической матрицы M₁ из ванны, содержащей частицы CrAlM₂, для того, чтобы соосадить частицы с матрицей, при этом M₁ является Ni, или Co, или Fe, или двумя, или всеми из этих элементов, и M₂ является Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt, редкоземельным элементом, или двумя, или несколькими из этих элементов, и осаждение осуществляют при плотности тока менее чем 3 мА/см².

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения обеспечен способ получения покрытия на подложке, который включает нанесение покрытия путем электролитического осаждения металлической матрицы M₁ из ванны, содержащей частицы CrAlM₂, для того, чтобы соосадить частицы с матрицей в форме слоя, при этом M₁ является Ni, или Co, или Fe, или двумя, или всеми из этих элементов, и M₂ является Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt, редкоземельным элементом, или двумя, или несколькими из этих элементов, осаждение осуществляют при плотности тока менее 5 мА/см², слой имеет толщину менее 50 мкм.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения обеспечен способ получения покрытия на подложке, который включает нанесение покрытия путем электролитического осаждения металлической матрицы M₁ из ванны, содержащей частицы CrAlM₂ для того, чтобы соосадить частицы с матрицей, при этом M₁ является Ni, или Co, или Fe, или двумя или всеми из этих элементов, и M₂ является Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt, редкоземельным элементом, или двумя, или несколькими из этих элементов, осаждение осуществляют при плотности тока менее чем 5 мА/см² и при загрузке ванны менее чем 40 г частиц/л.

В каждом вышеприведенном аспекте предпочтительно осуществлять способ при плотности тока менее 3 мА/см². Предпочтительно также, чтобы матричный материал и частицы соосаждались в форме слоя толщиной менее 50 мкм; подобно, предпочтительно также осуществлять осаждение при загрузке ванны менее чем 50 г частиц/л.

В этом изобретении мы обнаружили также, что относительно низкая плотность тока является в особенности важным параметром в способе нанесения покрытия. До настоящего изобретения полагали, что плотность тока не является особо важным параметром в большинстве способов нанесения покрытия, и когда его сочли важным, стали полагать, что желательно наносить покрытие при значительно более высокой плотности тока; см., например, патент США A-5064510, где используют плотность тока от 50 до 80 мА/см², и при этом выгодно достигают высокой скорости осаждения в диапазоне от 100 до 150 мкм/ч.

Считается, что в данной области техники существует предубеждение против относительно низкой плотности тока; причина этого точно не известна, но одно из объяснений может состоять в том, что нанесение покрытия при низких плотностях тока осуществляется более медленно, что неблагоприятно сказывается на общих затратах.

В этом изобретении мы предпочитаем плотность тока менее чем 2,5 мА/см². Плотность тока менее чем около 2 мА/см² является даже более предпочтительной при некоторых обстоятельствах, одним из примеров является плотность тока около 1 мА/см².

При относительно низких плотностях тока, используемых в этом изобретении, мы заметили склонность к тому, что структура частиц на покрытии в состоянии после осаждения отличается от структуры частиц в ванне, при этом предпочтительно включены частицы меньшего размера (например, при применении порошка с размером частиц < 15 мкм, частицы с размером > 10 мкм не включены настолько предпочтительно, насколько предпочтительно включены частицы размером < 10 мкм). Это в особенности удивительно, так как по теории, основанной на законе Фарадея и уравнении Стокса (см. Transactions of the Institute of Metal Finishing, название статьи: "The Production of Milti-Component Alloy Coatiangs by Particle Co Deposition", J. Forster et al., pp. 115-119, vol. 63, N 3-4, 1985), при принятии соответствующих плотностей тока и перемешивания, чем больше размер частиц, тем меньшая загрузка ванны необходима для достижения конкретной фракции порошка, включенного в покрытие в состоянии после осаждения. Следовательно, можно ожидать, что будут предпочтительно осаждаться частицы большего размера, но мы обнаружили, что при относительно низких плотностях тока происходит обратное. Полагаем, что это явление, которое имеет место на практике по крайней мере частично ответственно за превосходные покрытия, достижимые в настоящем изобретении, которые преодолевают проблемы предшествующего уровня техники в данной области.

По одному варианту M₁ включает Co. Он помогает в образовании в особенности главного покрытия. Если желательно, чтобы в покрытии присутствовал Ni, тонкий слой Ni может быть нанесен электролитически или на верхнюю поверхность соосажденного материала, или непосредственно на подложку перед стадией сосаждения. Тонкий слой никеля может иметь толщину около 5 мкм.

Предпочтительно, чтобы металлический матричный материал и сосажденные частицы образовали слой толщиной менее чем 25 мкм. В особо предпочтительном варианте слой может быть толщиной около 15 мкм. Однако слой может иметь толщину менее 15 мкм, около 12 или 10 мкм (или меньше этих значений). Для большинства применений предпочтительно, чтобы слой имел толщину, равную 5 мкм или более; предпочтительно, чтобы он имел толщину, равную 10 мкм или более. Однако для некоторых применений слой может иметь толщину более чем 15 мкм.

Как упоминалось выше, соосаждение предпочтительно осуществлять при загрузке ванны менее чем 40 г частиц/л. Более предпочтительно используют загрузку ванны около 30 г/л или менее, чем 30 г/л. Еще более предпочтительно используют загрузку ванны около 20 г/л или менее чем 20 г/л. В особо предпочтительном варианте используют загрузку ванны около 10 г/л, хотя могут быть рассмотрены и более низкие загрузки, например около 1 г/л. Эти относительно низкие загрузки ванны обеспечивают отсутствие направления нанесенного покрытия в порах, а также отсутствие шероховатости.

Частицы могут быть сферическими и могут быть образованы при использовании распылителя, например форсунки. Предпочтительно, чтобы частицы в ванне включали порошок с размером частиц < 15 мкм, < 12 мкм или < 10 мкм.

По одному предпочтительному варианту гранулометрический состав в ванне состоит из 25% частиц размером между 15 и 12 мкм, 45% частиц размером между 12 и 10 мкм и 30% частиц размером менее 10 мкм. К удивлению и неожиданно мы обнаружили, что нанесение покрытия при относительно низких плотностях тока приводит к преимущественному осаждению на подложке маленьких частиц; когда в ванне используют порошок с таким разделением по крупности, можно получить следующий гранулометрический состав в покрытии в состоянии после осаждения (в виде весового процента количества порошка в электролитическом покрытии): 45% частиц с размером < 10 мкм, 55% частиц с размером между 10 и 12 мкм и 0% между 12 и 15 мкм.

Превосходные покрытия достижимы при использовании способов, включающих стадию очистки и, предпочтительно, стадию очистки включают в стадию соосаждения.

По одному варианту соосаждают слой защитного материала, который включает монослой или двойной слой частиц. Например, когда в ванне суспендируют порошок, имеющий размер частиц менее 15 мкм, благодаря очистке, по желанию, можно нанести по существу непрерывный монослой части размером 12 или 10 мкм (самый большой размер частиц в состоянии после осаждения составляет соответственно 12 или 10 мкм), хотя на практике является маловероятными, что для данной желательной толщины покрытия следует использовать порошки, имеющие частицы размером больше, чем эта желательная толщина. В другом предпочтительном способе, желая обеспечить двойной слой или тройной слой, имеющий по существу толщину 10, 12, 15 или 20 мкм, можно использовать порошок размером от 4 до 8 мкм.

В другом варианте подложка, на которой наносят соосажденный материал, включает составляющий элемент, изготовленный из сверхпрочного сплава, который может включать составляющий элемент газовой турбины. В другом варианте соосажденный материал можно нанести на верхнюю поверхность тонкого слоя Ni (например, толщиной 2 мкм), нанесенного на поверхность составляющего элемента, изготовленного из сверхпрочного сплава.

После соосаждения соосажденный материал может состоять из более чем 40% (по объему) частиц, и в некоторых применениях указанное содержание может превосходить 45%.

Во время процесса соосаждения в ванну для образования циркуляции в растворе можно впустить газ, например воздух или инертный газ, обычно наверх в одной зоне и обычно вниз во второй зоне, при этом подложку во время соосаждения располагают во второй зоне. Подложка (или составляющий элемент, из которого образуется деталь) может вращаться вокруг оси, которая является горизонтальной, или она имеет горизонтальный составляющий элемент во время соосаждения. Может быть использовано устройство для электроосаждения, которое описано в нашем патенте GB-B-2182055.

При некоторых обстоятельствах может быть желательным вращать подложу вокруг первой оси, имеющей горизонтальный составляющий элемент, и вокруг второй оси, которая не параллельна первой. Цикл вращения вокруг первой оси может включать периоды пониженной угловой скорости. Вторая ось может быть перпендикулярна первой оси и/или может пересекать первую ось. Цикл вращения вокруг первой можно попеременно прекращать и возобновлять. Когда подложка вращается вокруг только одной оси, имеющей горизонтальный составляющий элемент, цикл вращения может включать периоды повышенной угловой скорости, и вращение можно попеременно прекращать и возобновлять. Манипуляции с подложкой можно проводить в соответствии со способом, описанным в нашем патенте GB-B-2221921.

В наиболее предпочтительном варианте осажденный материал потом алюминируют, например посредством процесса уплотненного алюминирования или алюминирования из паровой фазы. Между соосаждением и алюминированием можно включить предварительную диффузионную тепловую обработку. После стадии алюминирования может быть использована последиффузионная тепловая обработка, после которой предпочтительно следует стадия упрочнения при старении.

Стадия осаждения платины может быть включена перед алюминированием. Осаждение платины включает предпочтительно нанесение слоя платины (толщиной в диапазоне от 5 до 10 мкм) на верхнюю часть мсоосажденного материала. Стадия предварительной диффузионной обработки включает предпочтительно температурное воздействие на соосажденный материал (и необязательно слоя платины, если он есть) в диапазоне 1000 и 1100^oC в течение приблизительно одного часа в вакууме. Когда используют процесс уплотненного алюминирования, он предпочтительно происходит при ~ 900^oC в течение приблизительно 6 часов. Стадия последующей диффузионной обработки включает предпочтительно температурное воздействие на алюминированное покрытие температурой ~ 1100^oC в течение приблизительно 1 часа в вакууме. Стадия упрочнения при старении включает предпочтительно воздействие на последиффузионное покрытие температурой ~ 870^oC в течение приблизительно 16 часов в вакууме.

Один предпочтительный способ включает нанесение на подложку слоя соосажденного материала толщиной 15 мкм, после которого следует алюминирование или платиноалюминирование и тепловая обработка. После тепловой обработки общая толщина покрывающего материала на сверхпрочном сплаве составляет предпочтительно менее чем 75 мкм.

Подложка может включать любую промытую газом подложку, являющуюся составляющим элементом газовой турбины, например профилем крыла, хвостовыми участками лопатки газовой или наружными ободами лопатки газовой турбины.

В добавление к алюминированию или платиноалюминированию или как альтернатива алюминированию или платиноалюминированию соосажденного материала, который был обсужден выше, в качестве конечного слоя может быть осажден тепловой барьерный слой, например из колонообразного материала. Тепловой слой может включать керамический материал, например двуокись циркония, стабилизованную оксидом иттрия.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения обеспечен способ изготовления или капитального ремонта составляющего элемента газовой турбины, который включает покрытие подложки составляющего элемента в соответствии с одним или несколькими из первого, второго и третьего аспекта изобретения.

В соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения обеспечен составляющий элемент газовой турбины или газовая турбина, включающая составляющий элемент, изготовленный или капитально отремонтированный в соответствии с четвертым аспектом изобретения.

В соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения обеспечено транспортное средство или стационарная установка, включающая газовую турбину в соответствии с пятым аспектом изобретения. Транспортное средство согласно этому аспекту может включать, например, самолет или средство для транспортирования по воде или по суше.

Изобретение может быть реализовано различными способами, а способ нанесения покрытия будет описан посредством примера со ссылкой на сопровождающие схематические чертежи, на которых:

фиг. 1 представляет перспективный вид устройства для нанесения покрытия;

фиг. 2 представляет вид устройства сбоку;

фиг. 3 представляет вид устройства спереди;

фиг. 4 представляет перспективный вид зажимного приспособления, на котором изделия покрывают и подвешивают.

Устройство, показанное на чертежах, включает сосуд или контейнер 1, имеющий верхнюю часть 2 в форме параллелепипеда и нисходящую конусную нижнюю часть 3 в форме перевернутой пирамиды, которая является скошенной для того, чтобы одна боковая грань 4 являлась продолжением одной боковой грани 5 верхней части.

Сосуд 1 содержит перегородку 6, которая лежит в вертикальной плоскости, параллельной боковым граням 4 и 5 сосуда, и осуществляет контактирование в боковых кромках 7 и 8 со смежной вертикальной и наклонной поверхностями сосуда. Таким образом, перегородка разделяет сосуд на большую рабочую зону 9 и меньшую зону возврата 11. В своей нижней части перегородка 6 заканчивается горизонтальной кромкой 12 выше дна сосуда для получения взаимосвязи 13 между рабочей зоной 9 и зоной возврата 11. В своей верхней части перегородка 6 заканчивается горизонтальной кромкой 14 ниже верхних краев сосуда 1.

В нижней части зоны возврата 11 расположено отверстие для впуска воздуха 15, которое присоединено к воздушному насосу (не показан). В рабочей зоне 9 установлено зажимное приспособление 21, на котором закреплены обрабатываемые детали, на которые наносят покрытие, при этом приспособление 21 установлено таким образом, чтобы обрабатываемые детали в сосуде можно было передвигать таким способом, который описан ниже более подробно.

Когда устройство используют для нанесения электролитического покрытия, для приложения напряжения к обрабатываемой детали, установленной в зажимном приспособлении 21, относительно анода, который подвешен в рабочей зоне, обеспечены проводники тока.

При использовании устройстве для соосаждения покрытия на обрабатываемых деталях обрабатываемые детали устанавливают в зажимном приспособлении 21, которое расположено в сосуде так, как это показано на чертежах. Перед или после расположения зажимного приспособления сосуд заполняют до уровня 17 выше верхней кромки 14 перегородки 6 раствором для нанесения покрытия, содержащего частицы, которые необходимо соосадить. В отверстие для впуска воздуха 15 подают воздух и он поднимается вверх в зону возврата 11, захватывая раствор и частицы. В верхней части зоны возврата воздух выходит, а раствор и частицы перетекают через водослив с широким порогом, образованный верхней кромкой 14 перегородки, и стекает вниз мимо обрабатываемых деталей, расположенных в зажимном приспособлении 21. В нижней части рабочей зоны 9 частицы имеют склонность к осаждению и скольжению вниз по наклонным сторонам сосуда в направлении взаимосвязи 13, где они снова улавливаются в раствор и опять циркулируют.

Когда частицы, перемещающиеся вниз в рабочей зоне 9, сталкиваются с обрабатываемой деталью, они имеют склонность к осаждению на обрабатываемой детали, где они начинают внедряться в металл, на который одновременно наносят электролитическое покрытие.

Как показано на фиг. 4 и как описано в патенте GB-B-2254338, покрываемые обрабатываемые детали устанавливают в зажимном приспособлении 21, показанном на фиг.4, которое подвешивают в сосуде 1. Зажимное приспособление на фиг. 2 и 3 показано в упрощенном виде, но не включено в фиг.1 по причине ясности. Зажимное приспособление 21 включает деку 22, которая установлена на вершине сосуда 1, надежную опору 23 в направлении одного конца и пару направляющих приспособлений 24 на другом конце. Направляющие приспособления 24 имеют лицевые направляющие, в которых передвигается ползун 25, несущий вертикальную стойку 26, которая проходит вверх через отверстие 27 в деке 22 и сцепляется с шестерней 28, ведомой реверсивным электродвигателем 29. Дека 22 поддерживает второй электродвигатель 31, который приводит в движение вертикальный вал 32, несущий коническую зубчатую шестерню 33, которая входит в зацепление с храповым колесом 34, закрепленным на одном конце шпинделя 35, установленного в опоре 23. Другой конец шпинделя 35 присоединен посредством универсального соединения 36 к одному концу вала 37, другой конец которого передвигается посредством сферического подшипника 38 в ползуне 25.

Вал 37 несет множество острых выступов, которые жестко присоединены к нему, на фиг. 4 показан только один острый выступ 39. Выступ 39 проходит в плоскости, содержащей ось вала 37, при этом продольная ось острого выступа составляет с осью вала 37 угол . На выступе 39 установлены и расположены с промежутками по всей линии три лопатки газовой турбины 42, на которые наносят покрытие, при этом вертикальные оси лопаток простираются в упомянутой плоскости и перпендикулярны продольной оси выступа 39, вследствие чего продольные оси лопаток составляют с осью вала 37 углы (90-)^o.

На деке 22 установлен электронный регулятор двигателя 43, который присоединен линиями 44 и 45 к двигателям 29 и 31. Регулятор 43 предназначен для управления двигателем 31 только в одном направлении, но с остановкой для того, чтобы вал 37 вращался вокруг горизонтальной оси (оси x). Регулятор 43 предназначен для управления двигателем 29 попеременно в противоположных направлениях для того, чтобы вращать возвратно-поступательно ползун 25 и, таким образом, налагать на вращение вокруг оси x колебательное вращение вокруг вращательной оси в универсальном соединении 36 (ось y).

Угол и параметры циклов, осуществляемых двигателями 29 и 31, выбирают таким образом, чтобы они соответствовали обрабатываемой детали, на которую наносят покрытие, для обеспечения того, чтобы все поверхности, на которые наносят покрытие, достаточное количество времени находились лицевой стороной вверх для получения адекватной нагрузки спускающихся частиц, которые включаются в покрываемый металл, когда они осаждаются. Один конкретный пример покрытия и способ его получения будет описан ниже.

Пример.

Покрытие получали на лопатке газовой турбины 42, имеющей профиль крыла 43, с хвостовым участком 44 на одном конце и наружным ободом 45 на другом конце, при этом площадки хвостового участка и наружного обода простирались под углами приблизительно 70^o к оси сечения крыла, и хвостовой участок, и наружный обод имели торцевые поверхности, которые простирались соответственно под углом 30^o и 40^o к периферии обода. Для лопаток этой геометрии угол равен 70^o.

Имели намерение получить на профиле крыла и площадках хвостового участка и наружных ободов лопатки турбины покрытие, содержащее 18, 32 вес.% Cr, 8,25 вес.% Al, 0,457 вес.% Y и в качестве остального - кобальт. Для получения такого покрытия ванну заполнили кобальтовым раствором для нанесения покрытия, содержащего 400 г/л CoSO₄ 7H₂O, 15 г/л NaCl и 20 г/л борной кислоты H₃BO₃. Ванну поддерживали при pH 4,5 и температуре 45^oC. Ванну загрузили порошком до концентрации 10 г/л, при этом порошок имел распределение по размерам от 5 до 12 микрометров и состоял из 67,8 вес.% хрома, 30,1 вес.% алюминия и 1,7 вес.% иттрия.

Гранулометрический состав порошка в процентах выглядел следующим образом: 0-2 мкм 0,01; 2-4 мкм 0,05; 4-6 мкм 0,13; 6-8 мкм 4,43; 8-10 мкм 43,61; 10-12 мкм 51,77.

Перед нанесением покрытия на части хвостового участка и наружного обода, на которые не собирались наносить покрытие, наложили модельную восковую маску, и оставшиеся поверхности подвергли обычной соответствующей обработке для нанесения кобальтового покрытия.

Лопатку прикрепили к зажимному приспособлению 50, при этом ее оси направлены под углом 20^o к оси x зажимного приспособления, которая является горизонтальной (см. фиг. 4).

Во время нанесения покрытия ось x зажимного приспособления колебалась вокруг оси y, которая перпендикулярна оси x, под углом 25^o при продолжительности цикла 3 минуты. Одновременно зажимное приспособление вращалось вокруг оси x в одном направлении и на 360^o при продолжительности цикла 10 минут для осуществления полного оборота. Однако вращение вокруг оси x прерывается 10-секундными периодами остановки, перемещающимися 3-секундными периодами движения.

Нанесение покрытия осуществляли при плотности тока 1,5 мА/см² в течение периода времени, достаточного для получения толщины покрытия 12 микрон.

Получили покрытие превосходного качества, покрывающее профиль крыла и площадки хвостового участка и наружного обода и имеющее весовую долю включенного порошка, равную 0,27. Осадились предпочтительно частицы небольшого размера и по существу отсутствовали соосажденные частицы размером > 12 мкм, частицы большего размера остались в растворе для нанесения покрытия (то есть такие, размер которых находится между 12 и 15 мкм). После удаления покрытия лопаток из зажимного приспособления маску удалили.

Покрытые поверхности можно затем подвергнуть платиноалюминированию путем электролитического нанесения на нее 10 мкм осадка платины, диффузии при температуре между 1000 и 1100^oC в течение одного часа в вакууме, уплотненному алюминированию при 900^oC в течение 6 часов, последующей диффузии при 1100^oC в течение 1 часа в вакууме и упрочнению при старении при 870^oC в течение 16 часов в вакууме. Стадия уплотненного алюминирования может включить процесс с циклически изменяющимся давлением, например такой, который описан в EP-A-0024802.

Вместо платины или вместе с платиной можно использовать палладий или рутений.

В особенности предпочтительными элементами M₂ является Y, Hf и Si.

Покрытия, полученные в соответствии с изобретением, имеют высокое сопротивление окислению и высокое сопротивление термической усталости.