патент
№ RU 2348739
МПК C23C14/38

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

Авторы:
Мубояджян Сергей Артемович Каблов Евгений Николаевич Будиновский Сергей Александрович
Все (9)
Правообладатель:
Все (2)
Номер заявки
2007114130/02
Дата подачи заявки
16.04.2007
Опубликовано
10.03.2009
Страна
RU
Дата приоритета
27.05.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты лопаток турбин от высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии. Размещают изделие и сплав на основе алюминия в зоне обработки. Создают вакуум в зоне обработки, подают отрицательный потенциал на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия. Проводят принудительное охлаждение сплава. Возбуждают на нем вакуумную дугу, горящую в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия. Проводят бомбардировку поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия для очистки и нагрева поверхности изделия. Диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия проводят с удельным привесом (20-140) г/м2 при отрицательном потенциале на изделии, выбираемом в диапазоне от потенциала плавания до -50 В. Затем проводят охлаждение изделия в вакууме. Нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия осуществляют вне зоны его обработки. Затем проводят финишную обработку поверхности покрытия диффузионного алюминидного покрытия. В качестве сплава на основе алюминия используют сплав, содержащий два или более легирующих элементов из ряда: кремний, иттрий, бор, никель, кобальт, хром. Сплав на основе алюминия перед размещением в зону обработки припаивают к водоохлаждаемой оправке. Повышают качество алюминидного покрытия за счет снижения доли микрокапельной фазы в потоке плазмы сплава на основе алюминия и за счет повышения циклической жаропрочности, термостойкости и долговечности покрытия. 10 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения

1. Способ получения алюминидного покрытия на поверхности изделия из жаропрочного сплава, включающий размещение изделия и сплава на основе алюминия в зону обработки, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия для очистки и нагрева поверхности изделия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии, выбираемом в диапазоне от потенциала плавания до -50 В, нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия вне зоны его обработки, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе алюминия используют сплав, содержащий два или более легирующих элементов из ряда: кремний, иттрий, бор, никель, кобальт, хром, перед размещением в зону обработки сплав на основе алюминия припаивают к водоохлаждаемой оправке, а перед возбуждением на нем вакуумной дуги принудительно охлаждают, диффузию и накопление сплава на основе алюминия на поверхности изделия проводят с удельным привесом 20-140 г/м2, затем проводят охлаждение изделия в вакууме, после нагрева изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия, осуществляемого вне зоны его обработки, проводят финишную обработку поверхности покрытия.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:
Кремний3,0-9,0
Иттрий1,0-3,0
Алюминийостальное
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:
Кремний3,0-9,0
Никель2,0-16,0
Бор0,2-2,0
Алюминийостальное
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:
Кремний3,0-10,0
Хром0,5-8,0
Иттрий1,0-3,0
Алюминийостальное
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:
Никель6,0-18,0
Иттрий1,0-3,0
Алюминийостальное
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:
Никель3,0-9,0
Хром3,0-9,0
Иттрий1,5-5,0
Алюминийостальное
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:
Кремний3,0-12,0
Кобальт5,0-15,0
Иттрий0,1-1,0
Алюминийостальное
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку и нагрев поверхности изделия проводят при отрицательном напряжении на нем в диапазоне 180-600 В в течение 1-5 мин и при токе вакуумной дуги 250-750 А.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение изделия проводят в вакууме ≤0,04 Па до температуры ≤100°С.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия проводят при температуре 950-1050°С в течение 3-6 ч.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что финишную обработку поверхности проводят виброшлифовкой или пескоструйной обработкой.

Описание

Изобретение относится к области металлургии, а более точно - к способам получения алюминидных покрытий на изделии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты лопаток турбин, дефлекторов и других ответственных деталей машин от высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии.

В промышленности широко известен способ получения алюминидного покрытия на изделии из жаропрочного сплава насыщением поверхности в порошковой смеси, содержащей порошок сплава Fe-Al и галогенидный активатор, обычно хлористый аммоний (Тамарин Ю.А. Жаростойкие диффузионные покрытия лопаток газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1978 г., стр.136, или Коломыцев П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлургия, 1979. 272 с.).

Способ используется в основном для получения алюминидных покрытий на лопатках турбин и обеспечивает равномерность по толщине покрытия на криволинейных поверхностях лопаток.

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость процесса, невозможность целенаправленного легирования покрытия элементами, повышающими его защитные свойства, низкая точность процесса по толщине покрытия (˜30-50%).

Известен также газовый циркуляционный способ получения алюминидных покрытий и платино-алюминидных на основе химических транспортных реакций (CVD-процесс). При получении покрытий этим методом происходит генерация газообразного соединения алюминия, перенос этого соединения от источника алюминия на обрабатываемую поверхность, разложение летучего соединения, адсорбция и последующая диффузия алюминия в поверхность (патенты США №6413584, №6291014; Лесников В.П., Кузнецов В.П., Репина О.В. и др. Защитные свойства алюминидных покрытий в условиях высокотемпературного окисления и коррозии, ФХОМ, №4, 1996. - с.56-59).CVD-метод позволяет получать также легированные диффузионные алюминидные покрытия по двухстадийной схеме процесса, когда на первой стадии, например, проводят хромирование поверхности изделия, затем на второй стадии проводят ее алитирование (Лесников В.П., Кузнецов В.П. и др. Диффузионное насыщение алюминием и хромом никелевых сплавов циркуляционным методом из газовой фазы. Металловедение и термическая обработка металлов. №10, 1998, с.21-25).

Недостатком известных способов является высокая трудоемкость процесса за счет продолжительного нагрева и охлаждения химического реактора и длительности процесса насыщения поверхности из газовой фазы и низкая точность по толщине покрытия (˜20-30%), присущая этому процессу.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения алюминидного покрытия на поверхности изделия из жаропрочного сплава, включающий размещение изделия и сплава на основе алюминия в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами сплава на основе алюминия для очистки и нагрева поверхности изделия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии в диапазоне от потенциала плавания до (-50) В, нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия вне зоны его обработки. Причем перед подачей отрицательного потенциала на изделие осуществляют дополнительный нагрев обрабатываемого изделия для формирования алюминидного покрытия на поверхности изделия, преимущественно радиационным методом (патент РФ №2012694).

По данному способу покрытие формируется непосредственно при обработке изделия в плазме сплава на основе алюминия, что достигается путем введения дополнительного нагрева изделия в процессе его обработки при низких значениях отрицательного потенциала на изделии в диапазоне от потенциала плавания до (-50) В. Этим достигается увеличение производительности, так как при низких значениях отрицательного потенциала на изделии возрастает скорость диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия за счет снижения скорости катодного распыления поверхности.

Скорость генерации плазмы сплава на основе алюминия пропорциональна току вакуумной дуги, а с ростом этого тока возрастает тепловая нагрузка на сплав, причем мощность W, выделяемая на сплаве, равна W=Iд·U* (Iд - ток вакуумной дуги, U* - вольтэквивалент тепловых потерь на сплаве на основе алюминия, равный ˜9,8±0,6 В). С ростом тока вакуумной дуги уменьшается время нагрева сплава на основе алюминия до температуры его плавления, что не позволяет за один цикл получать алюминидное покрытие на изделии требуемой толщины и приводит к снижению производительности процесса из-за перехода к многоцикловому способу покрытия. Время охлаждения сплава на основе алюминия от максимально допустимой температуры его нагрева (˜500°С) до комнатной температуры за счет излучения (излучение - единственный способ охлаждения нагретого изолированного тела в вакууме) значительно (в 4 раза и более) превышает время его нагрева. Поэтому переход к многоцикловому покрытию значительно повышает время обработки изделия в вакууме.

Кроме того, по данному способу необходимо следить за температурой сплава на основе алюминия, чтобы, во-первых, не допустить его оплавления, а, во-вторых, не перегреть сплав на температуру свыше (450-500)°С, так как при больших температурах поток крупных капель в вакуумно-дуговой плазме сплава на основе алюминия многократно повышается. Диффузия и накопление на поверхности изделия сплава на основе алюминия при интегральной температуре его нагрева свыше 300°С приводит к значительному увеличению в покрытии доли крупной микрокапельной фазы из сплава на основе алюминия, что приводит к снижению качества покрытия из-за образования на поверхности дефекта «пятнистости». Таким образом, недостатком способа-прототипа является низкое качество получаемых покрытий, низкая производительность процесса вследствие цикличности нанесения, а также сложность дополнительного радиационного нагрева изделия в металлической плазме.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение качества получаемых покрытий за счет снижения доли микрокапельной фазы в потоке плазмы сплава на основе алюминия и за счет повышения циклической жаростойкости, термостойкости, долговечности покрытия путем изменения состава сплава на основе алюминия, а также повышение производительности способа получения алюминидного покрытия на изделии и его упрощение.

Это достигается тем, что в способе получения алюминидного покрытия на поверхности изделия из жаропрочного сплава, включающем размещение изделия и сплава на основе алюминия в зону обработки, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие и отдельно на сплав на основе алюминия, возбуждение на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги, горящей в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, бомбардировку поверхности изделия ионами плазмы сплава на основе алюминия для очистки и нагрева поверхности изделия, диффузию и накопление этого сплава на поверхности изделия при отрицательном потенциале на изделии, выбираемом в диапазоне от потенциала плавания до -50 В, нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия вне зоны его обработки, в качестве сплава на основе алюминия используют сплав, содержащий два или более легирующих элементов из ряда: кремний, иттрий, бор, никель, кобальт, хром, перед размещением в зону обработки сплав на основе алюминия припаивают к водоохлаждаемой оправке, а перед возбуждением на нем вакуумной дуги принудительно охлаждают, диффузию и накопление сплава на основе алюминия на поверхности изделия проводят с удельным привесом (20-140) г/м2, затем проводят охлаждение изделия в вакууме, а нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия осуществляют вне зоны его обработки, затем проводят финишную обработку поверхности покрытия.

Для обеспечения высокой жаростойкости в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:

Кремний3,0-9,0
Иттрий1,0-3,0
АлюминийОстальное.

Для обеспечения высокой стойкости к сульфидной коррозии в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:

Кремний3,0-9,0
Никель2,0-16,0
Бор0,2-2,0
АлюминийОстальное

Для обеспечения высокой жаростойкости и термостойкости в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:

Кремний3,0-10,0
Хром0,5-8,0
Иттрий1,0-3,0
АлюминийОстальное

Для обеспечения высокой жаростойкости при температуре (1100-1150)°С в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:

Никель6,0-18,0
Иттрий1,0-3,0
АлюминийОстальное

Для обеспечения высокой жаростойкости и термостойкости при температуре (1100-1150)°С в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:

Никель3,0-9,0
Хром3,0-9,0
Иттрий1,5-5,0
АлюминийОстальное

Для обеспечения высокой стойкости к солевой коррозии в качестве сплава на основе алюминия используют сплав следующего состава, мас.%:

Кремний3,0-12,0
Кобальт5,0-15,0
Иттрий0,1-1,0
АлюминийОстальное

Очистку и нагрев поверхности изделия проводят при отрицательном напряжении на нем в диапазоне 180-600 В в течение 1-5 минут и при токе вакуумной дуги 250-750 А.

Охлаждение изделия проводят в вакууме ≤0,04 Па до температуры ≤100°С.

Нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия проводят при температуре 950-1050°С в течение 3-6 ч.

Финишную обработку поверхности проводят виброшлифовкой или пескоструйной обработкой.

Использование в качестве сплавов на основе алюминия сплавов, содержащих два или более легирующих элементов из ряда: кремний, иттрий, бор, никель, кобальт, хром, обеспечивает получение на изделии из жаропрочного сплава покрытий, стойких к высокотемпературному окислению, покрытий, имеющих высокую жаростойкость и термостойкость, покрытий, стойких к высокотемпературному окислению и сульфидной коррозии, покрытий с высокой стойкостью к солевой коррозии, покрытий, стойких к окислению при температурах (1100-1150)°С и имеющих высокую термостойкость. В целом легирование покрытия элементами, повышающими защитные свойства покрытия, обеспечивает повышение качества получаемых покрытий и их долговечности в зависимости от условий эксплуатации изделия из жаропрочного сплава.

Пайка сплава на основе алюминия к водоохлаждаемой оправке и принудительное охлаждение сплава на основе алюминия перед возбуждением на сплаве вакуумной дуги позволяет получать алюминидные покрытия на изделии из жаропрочного сплава за один цикл обработки изделия. Принудительное охлаждение сплава на основе алюминия в процессе горения вакуумной дуги обеспечивает испарение и генерацию плазмы при температуре нагрева сплава не более 100°С, что значительно меньше температуры его плавления. Неограниченное время горения вакуумной дуги на принудительно охлаждаемом сплаве на основе алюминия обеспечивает достижение одной из целей предлагаемого способа, а именно снижение технологического времени получения покрытия более чем в четыре-пять раза и соответствующее повышение производительности процесса обработки изделия.

При возбуждении на сплаве на основе алюминия вакуумной дуги на сплаве возникают катодные микропятна вакуумной дуги с плотностью мощности 105-107Вт/см2, обеспечивающие испарение и генерацию плазмы сплава на основе алюминия. При таких мощностях наряду с испарением и генерацией плазмы сплава на основе алюминия имеет место генерация микрокапель из материала сплава на основе алюминия, которые снижают качество алюминидного диффузионного покрытия на изделии. Причем с ростом температуры нагрева сплава на основе алюминия количество микрокапель и их средний размер возрастают. При 600°С доля микрокапельной фазы в плазме сплава на основе алюминия достигает 80%. Наличие большого количества «крупной» микрокапельной фазы (>100-150 мкм) на поверхности изделия приводит при формировании диффузионного алюминидного покрытия к «пятнистой» структуре поверхности покрытия из-за локального увеличения содержания алюминия на поверхности под крупными микрокаплями, что является основной причиной снижения качества покрытия (его термостойкости и долговечности).

Охлаждение сплава на основе алюминия приводит к снижению доли микрокапель в плазме до 5-8% и максимального размера микрокапель до 10-15 мкм, что устраняет «пятнистую» структуру поверхности покрытия, формирующегося при нагреве изделия в вакууме, и обеспечивает соответствующее повышение качества покрытия.

Диффузию и накопление сплава на основе алюминия на поверхности изделия с удельным привесом (20-140) г/м2 достигают по времени проведения процесса. При постоянном токе горения вакуумной дуги и постоянном отрицательном потенциале на изделии скорость диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия также постоянна. Это позволяет при заранее измеренных значениях скорости диффузии и накопления сплава на основе алюминия определять технологическое время проведения диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия. Так, при токе вакуумной дуги 500 А скорость диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия составляет 1±0,05 г/м2·мин. Удельный привес от накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия из жаропрочного сплава в 20 г/м2 позволяет получать на поверхности изделия алюминидное диффузионное покрытие минимальной толщины ˜15 мкм, которое используется для особо нагруженных изделий при ресурсе до 100 ч. Удельный привес 140 г/м2 позволяет получать на поверхности изделия алюминидное диффузионное покрытие максимальной толщины ˜ 130 мкм, которое используется для изделий, имеющих ресурс свыше 20000 ч, и при котором на изделии не образуются трещины термической усталости, связанные с большой толщиной покрытия.

Очистка и нагрев изделия при напряжении на нем в диапазоне 180-600 В в течение 1-5 минут при токе вакуумной дуги 250-750 А обеспечивает термоактивацию поверхности изделия и ее ионное травление в плазме сплава на основе алюминия, что обеспечивает получение высокой адгезии покрытия к поверхности изделия, способствует повышению качества покрытия.

Охлаждение обработанного изделия в вакууме ≤0,04 Па до температуры ≤100°С обеспечивает минимальную по толщине оксидную пленку на поверхности изделия при извлечении его из зоны обработки, что также способствует повышению качества покрытия, формирующегося при последующем нагреве изделия и вакууме. Тонкая оксидная пленка не оказывает заметного влияния в процессе металлотермической реакции на поверхности изделия при нагреве изделия в вакууме и плавлении сплава на основе алюминия.

Нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия при температуре 950-1050°С в течение 3-6 ч обеспечивает формирование на поверхности изделия алюминидного покрытия с внешним слоем на основе высокотемпературной и жаростойкой фазы NiAl (β-фазы), обладающей в контакте с жаропрочным сплавом на основе никеля наиболее высокими защитными свойствами и переходным диффузионным слоем на основе карбидов и фазы Ni3Al.

Формирование алюминидного покрытия на поверхности изделия вне зоны обработки изделия позволяет исключить дополнительный радиационный нагрев изделия, необходимый для формирования диффузионного алюминидного покрытия в процессе диффузии и накопления сплава на основе алюминия. Устранение дополнительного радиационного нагрева изделия значительно упрощает способ получения алюминидных покрытий на поверхности изделия (регулярная замена нагревательных элементов, поверхность которых в плазме сплава на основе алюминия разрушается за 1-2 цикла обработки).

В процессе нагрева изделия в вакууме при формировании диффузионного алюминидного покрытия на поверхности имеет место шлакование оксидной пленки и частично элементов, легирующих покрытие, в основном кремния и хрома, которые имеют низкую растворимость в фазе NiAl. Финишная обработка поверхности покрытия на изделии одним из известных методов, например, виброшлифованием или пескоструйной обработкой позволяет удалить с поверхности покрытия шлаковые образования и снизить шероховатость поверхности покрытия, что также повышает качество получаемых покрытий (повышает жаростойкость).

Таким образом, совокупность отличительных признаков технического решения позволяет получать на поверхности изделия качественные диффузионные алюминидные покрытия, легированные элементами, повышающими защитные свойства покрытия, обеспечивает увеличение производительности способа получения алюминидного покрытия на изделии, а также обеспечивает упрощение способа путем исключения операции дополнительного радиационного нагрева изделия.

Примеры осуществления 1-7 по предлагаемому способу.

Пример 1. Для обработки поверхности изделия из жаропрочного сплава, например, рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД) из сплава ЖС6У и образцов из этого же сплава, проводили предварительную подготовку (удаление загрязнений и обезжиривание) поверхности лопатки и образцов. Затем сплав на основе алюминия паяли к водоохлаждаемой оправке для его принудительного охлаждения, после чего размещали изделие и сплав на основе алюминия в зону обработки и создавали в зоне обработки вакуум при давлении Р<10-2 Па. В качестве сплава на основе алюминия использовали сплав следующего состава, мас.%:

Кремний6,0%;
Иттрий2,0%;
АлюминийОстальное.

Затем подавали отрицательный потенциал на сплав на основе алюминия ϕ2=-(30-90) В и отдельно на лопатку и образцы ϕ2=-180 В. После чего подавали охлаждающую воду в оправку для охлаждения сплава на основе алюминия и на сплаве на основе алюминия одним из известных способов, например, путем разрыва токового контакта, возбуждали вакуумную дугу, горящую в парах этого сплава с образованием плазмы сплава на основе алюминия, и начинали процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала при ϕ2=-180 В и токе вакуумной дуги 750 А для очистки и ионного нагрева (термоактивации) поверхности обрабатываемых изделий. Процесс очистки поверхности обрабатываемых изделий и их нагрев до температуры 450°С продолжали в течение 4 минут, после чего проводили в течение 20 минут диффузию и накопление на поверхности обрабатываемых изделий ионов плазмы токопроводящего сплава на основе алюминия при напряжении на изделиях, равном потенциалу плавления (потенциал плавления - это отрицательный потенциал ˜5-10 В, который принимает в плазме электрически изолированное тело), и токе вакуумной дуги 500 А. Затем отключали вакуумную дугу и охлаждали изделие в течение 90 минут до температуры 80°С. Затем изделие и контрольные образцы извлекали из зоны обработки и помещали в вакуумную печь и нагревали их на температуру 950°С в течение 2 ч в вакууме 10-2 Па. После этого поверхность изделия и образцов подвергали финишной обработке методом «мягкой» виброшлифовки на центробежно-ротационном станке ЦРС-2. Затем на контрольном образце определяли удельный привес от сплава на основе алюминия (Δmуд=Δm/F, г/м2), равный 20 г/м2, после чего металлографическим анализом определяли толщину алюминидного диффузионного покрытия на контрольном образце. В результате на поверхности изделия получали легированное кремнием и иттрием алюминидное покрытие толщиной ˜15 мкм с характерным для диффузионных покрытий двухзонным строением и с внешним слоем на основе моноалюминида никеля (NiAl), толщиной 10-12 мкм, при содержании в нем алюминия, равном 20 мас.%.

Пример 2. Алюминидное покрытие на рабочих лопатках турбины ГТД из сплава ЖС6У на основе никеля и образцов из этого же сплава получали аналогично примеру 1. Разница заключалась в том, что в качестве сплава на основе алюминия использовали сплав следующего состава, мас.%:

Кремний6,0
Никель9,0
Бор1,1
АлюминийОстальное

Процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала для очистки и ионного нагрева поверхности обрабатываемых изделий проводили при ϕ2=-400 В и токе вакуумной дуги 500 А. Процесс очистки поверхности обрабатываемых изделий и их нагрев до температуры 500°С продолжали в течение 3 минут, после чего проводили в течение 82 минут диффузию и накопление на поверхности обрабатываемых изделий ионов токопроводящего сплава на основе алюминия при напряжении на изделиях, равном - 30 В, и токе вакуумной дуги 500 А. Затем охлаждали изделие в течение 110 минут до температуры 90°С. Затем изделия извлекали из зоны обработки и помещали в вакуумную печь и нагревали изделие в течение 4 ч при температуре 1000°С и вакууме 10-2 Па.

В результате на поверхности изделия получали легированное кремнием и бором жаростойкое и стойкое к сульфидной коррозии алюминидное покрытие с привесом 80 г/м2 и толщиной ˜72 мкм, с характерным для диффузионных покрытий двухзонным строением и с внешним слоем на основе моноалюминида никеля, толщиной 45-50 мкм, при содержании в нем алюминия, равном 20-21 мас.%.

Пример 3. Алюминидное покрытие на рабочих лопатках турбины из сплава ЖС6У на основе никеля и образцов из этого же сплава получали аналогично примеру 1. Разница заключалась в том, что в качестве сплава на основе алюминия использовали сплав, следующего состава, мас.%:

Кремний6,5
Хром4,0
Иттрий2,0
АлюминийОстальное

Процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала для очистки и ионного нагрева поверхности обрабатываемых изделий проводили при ϕ2=-600 В и токе вакуумной дуги 250 А. Процесс очистки поверхности обрабатываемых изделий и их нагрев до температуры 450°С продолжали в течение 1,5 минут, после чего проводили в течение 145 минут диффузию и накопление на поверхности обрабатываемых изделий ионов токопроводящего сплава на основе алюминия при напряжении на изделиях, равном - 50 В, и токе вакуумной дуги 500 А. Затем охлаждали изделие в течение 130 минут до температуры 95°С. Затем проводили нагрев изделия до температуры 1050°С в течение 6 ч в вакууме 10-2 Па.

В результате на поверхности изделий получали легированное кремнием, хромом и иттрием жаростойкое алюминидное покрытие с привесом 142 г/м2, толщиной ˜130 мкм, с характерным для диффузионных покрытий двух зонным строением и с внешним слоем на основе моноалюминида никеля, толщиной 90-95 мкм, при содержании в нем алюминия, равном 24 мас.%.

Пример 4. Алюминидное покрытие на рабочих лопатках турбины из сплава ЖС6У на основе никеля и образцов из этого же сплава получали аналогично примеру 1. Разница заключалась в том, что в качестве сплава на основе алюминия использовали сплав, следующего состава, мас.%:

Никель12,0
Иттрий2,0
АлюминийОстальное

Процесс ионной бомбардировки поверхности изделия ионами токопроводящего материала для очистки и ионного нагрева поверхности обрабатываемых изделий проводили при ϕ2=-400 В и токе вакуумной дуги 500 А. Процесс очистки поверхности обрабатываемых изделий и их нагрев до температуры 450°С продолжали в течение 2 минут, после чего проводили в течение 65 минут диффузию и накопление на поверхности обрабатываемых изделий ионов токопроводящего сплава на основе алюминия при напряжении на изделиях, равном - 25 В, и токе вакуумной дуги 500 А. Затем охлаждали изделие в течение 120 минут до температуры 80°С. Затем проводили нагрев изделия до температуры 1000°С в течение 4 ч в вакууме 10-2 Па.

В результате на поверхности изделия получали легированное иттрием жаростойкое алюминидное покрытие с привесом 65 г/м2, толщиной ˜58 мкм, с характерным для диффузионных покрытий двух зонным строением и с внешним слоем на основе моноалюминида никеля, толщиной 40 мкм, при содержании в нем алюминия, равном 20 мас.%.

Пример 5. Алюминидное покрытие на рабочих лопатках турбины из сплава ЖС6У на основе никеля и образцов из этого же сплава получали аналогично примеру 4. Разница заключалась в том, что в качестве сплава на основе алюминия использовали сплав, следующего состава, мас.%:

Никель6,0
Хром4,0
Иттрий3,0
АлюминийОстальное

В результате на поверхности изделий получали легированное иттрием и хромом жаростойкое алюминидное покрытие высокой термостойкости, толщиной ˜58 мкм, с характерным для диффузионных покрытий двух зонным строением и с внешним слоем на основе моноалюминида никеля, толщиной 40 мкм, при содержании в нем алюминия, равном 20 мас.%.

Пример 6. Алюминидное покрытие на рабочих лопатках турбины из сплава ЖС6У на основе никеля и образцов из этого же сплава получали аналогично примеру 4. Разница заключалась в том, что в качестве сплава на основе алюминия использовали сплав, следующего состава, мас.%:

Кремний8,0
Кобальт10,0
Иттрий0,5
АлюминийОстальное.

В результате на поверхности изделий получали легированное кобальтом, кремнием и иттрием жаростойкое алюминидное покрытие, стойкое к солевой коррозии, толщиной ˜55 мкм, с характерным для диффузионных покрытий двух зонным строением и с внешним слоем на основе моноалюминида никеля, толщиной 40 мкм, при содержании в нем алюминия, равном 19,5 мас.%.

Как видно из примеров, изобретение позволяет изменять состав алюминидного покрытия, проводить целенаправленное легирование покрытия компонентами сплава на основе алюминия и получать качественные и однородные покрытия за счет устранения эффекта «пятнистой» структуры покрытия (принудительное охлаждение сплава на основе алюминия) и финишной обработки поверхности.

Настоящее изобретение позволяет подбирать параметры алюминидного покрытия (состав, толщину) на изделиях, например, лопатках турбин, в зависимости от условий их эксплуатации и требований, предъявляемых к покрытию.

Результаты остальных примеров (7-18) использования сплавов, имеющих составы, аналогичные составам, приведенным в примерах 1-6, сведены в таблицу. Пример 19 - алюминидное покрытие, полученное по способу-прототипа.

В таблице приведены составы рассмотренных сплавов на основе алюминия, которые использовали для получения алюминидных покрытий, а также приведена стойкость в часах алюминидных покрытий в контакте с жаропрочным сплавом ЖС6У на никелевой основе к циклическому окислению при температуре 1050°С с продолжительностью цикла 2 ч, равной продолжительности паузы между циклами, стойкость к сульфидной коррозии в расплаве Na2SO4, при температуре 900°С в процентах по отношению к широко известному алюминидному покрытию, не содержащему легирующих компонентов, термостойкость при испытаниях на образцах и на лопатках турбин. Испытания на термостойкость проводились по режиму: нагрев в продуктах сгорания авиационного топлива до температуры 1000°С, выдержка при этой температуре 1 минута, охлаждение до 200°С струей сжатого воздуха. Так как испытания проводились на образцах разного типа, то в таблице приведена относительная термостойкость в процентах по отношению к обычному алюминидному покрытию. И наконец, в таблице приведена относительная долговечность покрытий при испытаниях на лопатках ГТД, работающего 50% времени на дизельном топливе, содержащем серу. Во всех рассмотренных примерах проводились сравнительные испытания, и предлагаемые составы сплавов на основе алюминия для получения алюминидных покрытий сопоставлялись с известным алюминидным покрытием при одинаковом удельном привесе от алюминиевого сплава, равном 60±2 г/м2.

Таблица
№№ п.п.Состав сплава на основе алюминия, мас.%Стойкость к циклическому окислению, чСтойкость к сульфидной коррозии, %Термостойкость, %Долговечность, эквивалентно-циклические испытания, %
123456
1Al-3Si-2Y800120150150
2Al-6Si-9Ni-1,1B1020460150250
3Al-6,5Si-4Cr-2Y1220140150180
4Al-12Ni-2Y1450130200220
5Al-6Ni-4Cr-3Y1420165230180
6Al-8Si-10Co-0,5Y1200240170190
7Al-3Si-0,5Cr-lY860120150160
8Al-6Si-2 Y1100160140170
9Al-10Si-8Cr-3Y1180130140170
10Al-6Ni-1Y980120180160
11Al-9Si -3 Y780200110140
12Al-18Ni-3Y1150110160190
13Al-3Ni-1,5Cr-1Y1000140190150
14Al-3Si-2Ni-0,2B780400160200
15Al-9Ni-7Cr-5Y1380155200170
16Al-3Si-5Co-0,1Y900210180160
17Al-9Si-16Ni-2B800410110190
18Al-12Si-15Co-1Y870250140170
19Al500100100100

Таким образом, как видно из таблицы, применение сплавов систем Al-Si-Y, Al-Si-Ni-B, Al-Si-Cr-Y, Al-Ni-Y, Al-Ni-Cr-Y, Al-Co-Si-Y позволяет повысить циклическую жаростойкость, стойкость к сульфидной коррозии и термостойкость покрытий, что в целом приводит к росту долговечности изделия с покрытием при эксплуатации изделия в составе газотурбинного двигателя. Повышение качества получаемых покрытий достигается также за счет устранения эффекта «пятнистости» путем значительного снижения в плазме сплава на основе алюминия при его принудительном охлаждении доли микрокапельной фазы (с 80% до 5-8%) и максимального размера микрокапель со (100-200) мкм до (10-15) мкм.

Очистка и нагрев изделия при отрицательном напряжении на нем 180-600 В в течение 1-5 минут при токе вакуумной дуги 250-750 А также способствует получению качественных покрытий за счет термоактивации поверхности (нагрев на 400-500°С) и очистки поверхности изделия ионным травлением. Охлаждение изделия в вакууме ≤0,04 Па до температуры ≤100°С и нагрев изделия в вакууме на 950-1050°С в течение 3-6 ч обеспечивает на изделии формирование диффузионного алюминидного покрытия на основе моноалюминида никеля, обладающего в контакте с жаропрочным сплавом на основе никеля наиболее высокими защитными свойствами. Повышению качества покрытия способствует также финишная обработка поверхности, позволяющая получить высокую чистоту поверхности покрытия и высокую его жаростойкость.

Охлаждение сплава на основе алюминия перед возбуждением на нем вакуумной дуги обеспечивает непрерывный цикл диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия, что обеспечивает многократное увеличение производительности способа получения алюминидного покрытия на изделии. Нагрев изделия в вакууме для формирования диффузионного алюминидного покрытия обеспечивает упрощение способа путем исключения операции дополнительного радиационного нагрева изделия в процессе диффузии и накопления сплава на основе алюминия на поверхности изделия.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты