Способ получения теплозащитных покрытий

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЕ-ЧМ ПРИ ГКНТ СССР(71) Белорусское республиканское научнопроиэводственноеу объединение порошковой метаплур н(55) Патент США ЬЬ 4485 151. кл. С 23 С 7/О 0.1984.(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙИзобретение относится к машиностроению. в частности к способам плазменного напыления керамических теплозащитных покрытий.Известны способы нанесения теплозащитных покрытий. включающие плазменное напьтление на основу слоя сцепления из жароотойкого металлического сплава. а задиоксида циркония. частично стабилизированного оксидом иттрия. кальция. магния. церия или иттербия.Частичная стабилизация диоксида цирконня обеспечивает фиксацию в материале метастабильной тетрагональной фазы 2 г 02. котщая значительно увеличивает вязкость разрушения керамики. В результате напряжениа рассогласования. возникающие в покрытии при термоцикпировании в процессе его эксплуатации иа-за различного теплово(о расширения керамики и металлической(57) Использование для тепловой защитыдеталей газовых турбин и двигателей внут- Среннегосгоранъчя. Сущность изобретения на деталь сначала напыляют подслой из сплава никель-кобальт. содержащего хром. алюминий и иттрий. и трехслойного покрыТИЯ ИЗ ППРОШКЭ ЧЗГЕТИЧНО СТЭОИЛИЗИрОВЭН ного диоксида циркония при изменении объема пор а направлении оттнаружного слоя к внутреннему от 3-5 до 1518. Слойс наибольшим объемом пор проводят по рошком частично стабилизированного диоксида циркония. восстановленного с поверхности до 2 гОх. где 1 5 х 2. а после напьтения покрытия проводят спекание в нейтральной атмосфере при 100 О-1200 С в течение 2-4 ч с последующим окислитель ным отжигом при 75090 ОС е течение 1-4 ч. 2 табл.ОСНОВЫ. релакстчруется не ТОЛЬКО В МЗТЭПЛИЧЕСКОМ Подслое. но и в слое керамики. Тем не менее стойкость опьтсанньтх теплозащитных покрытий стермоциклированию остается низкой. из-за недостаточно эффективного торможения движения микротрещин в керамическом слое. а- Известны способы увеличения стойкости теплозащитных покрытий к термоциклиЮОВЭНИЮ Путем увеличения пористости керамического слоя, и Поры в керамическом покрытии тормоЗЯТ движение микротрещин, что увеличивает вязкость разрушения керамики и. как Сдедствие.стойкостыпокрьттия к термоциклированию. Однако положительное влияние увеличение пористости керамического слоя теплозащитного покрытия на его стойкость к термоциклированию огранъччивается снижением прочности материала. сопровождаЮЩИМ УВЕЛИЧЕНИЕМ ПООИСТОСТИ. КООМе ТОГО.остроугольные мелкие поры сами могут стать источниками зарождения МИКРОТПЭу щин. Это снижает эффективность воздейст вия описанных способов на стойкость покрытий к термоциклированию. . Наиболее близким по Технической сущности и достигаемому результату К ПРВДПЭ гаемому является. способ напыления керамического или металпокераг-ЧИЧЕСКОГО высокотемпературного трехслойного покрытия. объем пор в котором увеличивается в направлении от наружного слоях БНУТРН нему от 35 до-1518 Увеличенный объчметаллической основы позволяет более эффективно релаксировать напряжения рассогласования, возникающие ПРИгтермоциклироеании конструкции. а плот ные внешние слои обеспечивают ПВОЧНОСТЬнеобходимую для противодействия механическим нагрузкам и коррозионному воздействию среды.Недостатком способа является то. что эффект увеличения стойкости покОЫТИП К термоциклированию путем увеличения пористости прилегающего к основе слоя керамического покрытия ограничен. так как при увеличении пористости снижается прочность материала и увеличивается вероятность появления остроугольных пор. ослабляюЦИХ сечение покрытия.Поставленная цель достигается тем. чт напыление слоя покрытия с наибольшим объемом пор проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония.где 1.0 5-х 2.0. а после напыления покры тия проводят спекание в нейтральной ЭТ мосфере при 1 ООО 1200 С в течение 2-4 Ч с последующим окислительным отжигом при 750900 С в течение 1-4 ч.Сущность предлагаемого способаэаключается в следующем.При напылениитрехслойного покрытия из частичностабилизированного диоксида циркония с подслоем из сплава кобальт-никель, содержащего хром. алюминий и иттрий. Плазменное напыление слов покрытия с наибольшим объемом пор. проводят порошком частично стабилизированного. диоксида циркония. восстановленного с поверхности до 2 гОх где 1.0 5 к 2.0. Вк сформированном таким образом покрытиимежчастичньае контакты и поверхность пор слоя покрытия с наибольшим объемом пор состоят из низших оксидов циркгния.При напылении слоя покрытия с наибольшим обьемом пор порошком частично стабилизированного диоксида циркония. восстановленного с поверхности до 2 гО.где х 1.0 объем пор значительно уменьшается при окислении 20, до 2 гО 2. что увеличивает разность между коэффициентами линейного расширения. подслоя и слоя -покрытия. а при х 2.0 во время окислительного отжига не происходит округления пор. и зарастания микротрещин в областях межчастичньпх контактов. Таким обрезом. Использование порошков частично СТЭбИЛИЗИПОВЭННОГО ДИОКСИДЗ ЦИрКОНИБЪ восстановленных с поверхности до 2 гО где х 5 1.0 или х 2 приводит к снижению СТОЙКОСТИ покрытий К термоцьтклированию.Операция спекания в нейтральном атлитосфера при 11000120 ОС в течение 2-4 ч проводится для филенка-химического взаимодействия между частицами диоксида цирКОНИЯ И СПОЕМ ДИОКСИДЭ ЦИПКОНИЯ И подслоем по межчастичным контактам. состоящим из низших окислов циркония. что повышает прочность сцепления слоя диоксида циркония с подслоем. При проведении спекания при температуре менее 1 ОО 0 С в течение менее 2 ч количество образуемого соединения или твердого раствора на границе слой диоксида циркония-подслой. а также диффузионное взаимодействие в областях межчастичных контактов незначительно. а при температуре более 12 ООС и времени более 4 ч происходят необратимые изменения в металлическом подслое и основет ухудшающие их жаропрочность и термоусталость. Такая термообработка недопустима в технологии нанесения покрытий на изделия из жаропрочных сплавов. Проведение спекания в окислительной атмосфере при 1 О 0012 ООС в течение 2-4 ч приводит к образованию значительного окисного слоя на границе подслой-слой диоксида циркония. что. всвою очередь. снижает стойкость покрытия к гтермоциклированию.Операцию окислительного отжига проводят для окисления низших оксидов до стабильного диоксида циркония 2 гО 2. В процессе окисления за счет увеличения объема окисляющихся участков эффективно запечиваются микродефекты межчастичных контактов и притупляются остроугольные участки поверхности пор. Общая пористость покрытий при этом практически не изменяется. Развитие взаимодействия в МЕЖЧВСТИЧНЫХ КОНТЭКТЭХ И ОКВУГЛЭНИЕ пор приводит к увеличению прочности и вязкости разрушения покрытий и. как следствие. стойкость покрытий к термоцнклированию.При проведении окислительного отжига при температуре менее 750 Си времени менее 1 ч не происходитпопное окисление 2 ГОх до 2 гО 2. а проведение отжига при температуре более 900 С и времени боле 4 Ч ПРИВОДИТкроме окисления 2 гОх до 2 гО 2. к росту окисной пленки на поверхности подслоя. что снижает стойкость покрытий к терМОЦИК/ЧИ рованию. к-П р и м е р. На торцовую поверхность образцов из сплава ЖС-30 диаметром 20 мм и толщиной 10 мм наносили тепло-защитные покрытия. Нанесение покрытий проводили на специализированном комплекте обору дования.Перед нанесением подслоя образцы подвергали струйно-абразивной обработке карбидом кремния с последующей очисткой от остатков абразива наультразвуковой установке в среде этилового спирта. Рабочую камеру предварительно вакуумировели до давления 104 бар. потом заполняли аргоном до давления 2102 бар, затем проводипи ионную очистку и нагрев образцов доцов наносили подспой толщиной 0.1 мм из порошка сплава на основе Со с 10 М. 25 Сг 6 А 5 Та и 0,6 /. Режим нанесения подслоя ток электрической дуги 730 А. напряжение дуги 65 В. давление в камере 5.1 О 2 бар расход водорода 10 л/мин. расход Ьргсна 50 л/мин. расходупорошкадд кг/Ч.(аргон) 2 л/мин. дистанция напылениязбо мм. После нанесения подслоя рабочая камера развакуумировалась и проводилось нанесение трехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида циркония, состава 2 гО 2 7 У 2 О 3. фракцией 5-40 мкм с изменением объема пор в направлении от наружного слоя кНапыление слоя покрытия с наиболь шим объемом пор по прототипу наносилосьне восстановленным с поверхности порошком частично стабилизированного диоксида циркония. а по предлагаемому способу порошком, ВОССТЗНОВЛЕННЫМ С поверхности до 2 гО. где 1.0 55 42.0. для восстановления частиц порошка с поверхности порошок 2 гО 2 - 7/2 О 3 1100-1300 С в течение 2-4 ч. Степень восстановленияоксидов на поверхности частиц контролировали микрорентгеноспектралъньлм анализом на растровомПокрытия наносили-на семь групп образ-цов по пять образцов в каждой группе(одна группа с по известному. шесть по предлагаемому способам). Пористость слоев измеряли на шлифах поперечных сечесечениях на одном образце каждой группы) металлографическим методом.После нанесения подслоя и трехслойного покрытия из порошков частично стабилизированного диоксида циркония образцы с покрытиями. полученными по предлагаемому способу. подвергали термической обработ-кеЧ-порежимам. приведенным в табл. 2.у Стойкость покрытий к термоциклированию определяли по количеству термоциклов. которые выдерживали образцы до разрушения слоя керамического. покрытия. Термоцикл представлял нагрев-образца в печи при 1100 С в течение 0.25 ч и последующее охлаждение в воде до комнатной температуры. Разрушение покрытия фиксировали визуально после каждого цикла по появлению признаков отслоения покрытия или его части. Стойкость покрытий к термоциклированию (количества циклов) определяликак среднее значение по четырем образцам.Как видно из табл. 2 (примеры 3-5) стойкость покрытий к термоциклированию. нанесенных по предлагаемому способу. в 1.2-4 раза выше по сравнению с извест ным покрытием. Однако при выходе значе ний режимов способа (примеры 2 и б за предлагаемые предел ы стойкость покрытий к термоциклированию снижается. Формула изобретения . Способ получения теплозащитных покрытий, включающий Плазменное напыление подслоя из сплава кобальт-никель. содержащего хром алюминий ивиттрий. и. трехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида циркония при изменении объема пор в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3-5 до 15-18. от 13 и ч а ю щ и й с я тем. что. с целью повышения стойкости покрытий к термоциклитрованию. Плазменное напыление слоя покрытия с наибольшим объемомпор проводят порошком частичностабили- у зированного диоксида циркония. восстановленного с поверхности до 2 г 0 х. где 1.0 Е х 2.0. а после напыления покрытия проводят спекание в нейтральной атмосфере при 1000-120 ОС в течение 2-4 ч. с последующим окислительным отжигом при 75 О-900 С в течение 1-4 ч.Режимы способа Количество цикловМатериал образцов ЖС-ЗО. материал год слоя Со 1 ОМ 125 Сг 6 А 5 Та 05 У. материал теплозащитных слоев по крытия 2 гО 2 т 7 ЪУ 203- Известный способ т Нанесение подслоя. нанесение слоя теппо- 27 защитного покрытия с изменяющейся пористостью П едпагаемый способ Ы г Й Нанесение подслоя-при нанесении первого 24 слоя теплозащитного покрытия поверхность частиц порошка восстановлена до 2 гОо 9. спекание всего Чокрытия в нейтральной атмосфере 95 ОС. 1.5 ч окислительный отжиг всегопокрьттия 7 ООС. 0.5 ч 3 Нанесение подслоя. при нанесении первого 36 слоя теплозащитного покрытия поверх кость частиц восстановлена до 2 гО 1 д. спека ние всего покрытия в нейтральной атмосфере 100 ОС 2 ч. окислительный от. жиг всего покрытия 750 С. 1 ч 4 Нанесение подслоя, принанесении первого 38 слоя теплозащитного покрытия поверхность частиц порошка восстановлена дос 2 г 1 в спекание всего Покрытия в нейтральной ат- т. мосфере 110 ОС. 3 ч окислительный отжиг всего покрытия 825 С. 2.5 ч 5 Нанесение подслоя. при нанесении первого 33 слоя теплозащитного покрытия поверхностьЧБСТИЦ ПОРОШКЭ восстановлена до 2 гО 19.г спекание всего покрытия в нейтральной ат мосфере 1200 4 ч. окислительный отжигвсего покрытия 900 С. 4 ч 6 Нанесение подслоя. при нанесении первого 25 слоя теплозащитного покрытия поверхность частиц порошка не восстанавливалась(2 тО 2). спекание всего покрытия в неитраль- т ной атмосфере 125 ОС. 4.5 ч. окиспителъныи Ыт 950-