PL120368B1 - Method of manufacture of thermal barrier in the form of cermet layer,on a substrate of superalloy on the basis of nickel or cobalteramicheskogo sloja-na posteli v sverkhsplave na bazise nikelja ili kobal'ta - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania bariery termicznej w postaci metalowo- ceramicznej warstwy, na podlozu z nadstopu na bazie niklu lub kobaltu.Plazmowo natryskiwane metalowo-ceramiczne warstwy, z zastosowaniem stabilizowanego dwutlenku cyrkonu, tworzace termiczna bariere ochronna sa znanejako stopy MCrAlY, w których M oznacza zelazo, nikiel, kobalt i mieszaniny niklu i kobaltu, i opisane szczególowo w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych nr 3542530, 3 676085, 3754903 i 3 928 026 dotyczacych stopu NiCoCrAlY, i sa szeroko stosowane do zabezpieczania czesci metalowych narazonych na dzialanie wysokiej temperatury.Maja one za zadanie obnizanie temperatury metalowego podloza i zmniejszanie wplywu przejsciowych efektów cieplnych, na konstrukcje. Konstrukcje takie sa powszechnie stosowane w komorach spalania, przewodach przesylowych, przewodach dopalaczy silników turbin gazowych oraz moga byc takze uzyte do zabezpieczenia powierzchni lopatek i platów.Najwazniejsza cecha tych warstwjest ich zdolnosc termicznego izolowania, poniewaz wielkosc obnizania temperatury metalowego podloza i zmniejszania wplywu przejsciowych efektów ciepl¬ nych wiaza sie z niskim przewodnictwem cieplnym skladnika tlenkowego i gruboscia jego warstwy.Pozadane sa nastepujace wlasnosci warstwy izolacyjnej: niskie przewodnictwo cieplne wlasciwa przyczepnosc dla zapewnienia odpornosci na termiczne naprezenie zluszczajace, to znaczy dobre laczenie sie miedzy czasteczkami i podlozem, maksymalna integralnosc metalurgiczna i odpornosc na utleniajacocieplna korozje skladnika metalowego, mozliwie bliskie wielkosci rozszerzalnosci cieplnej miedzy warstwa ceramiczna a stopem podloza, odpowiednia stabilizacja pozadanej, krystalicznej struktury, np. dwutlenek cyrkonu w ukladzie regularnym w celu zmniejszenia do minimum efektów nieliniowej rozszerzalnosci cieplnej, powodowanej przez strukturalna transfor¬ macje, mozliwosc napfaw uszkodzen w czasie wytwarzania i po pracy.Znanych jest kilka metalowo-ceramicznych powlok na bazie dwutlenku cyrkonu stabilizowa¬ nego tlenkiem magnezu. Zazwyczaj podloze stanowi nadstop na bazie niklu lub kobaltu taki jak Hastelloy X zawierajacy wagowo 0,1%C, 0,5%Mn, 0,5%Si, 22%Cr, l,5%Co, 9%Mo, 0,6%W,2 120 368 18,5%Fe oraz reszta Ni, który pokrywa sie warstwa wiazaca ze stopu nikiel-5% glinu lub nikiel- 20% chromu, posrednia warstwa metalowa, warstwa stabilizowanego dwutlenku cyrkonu i zewnetrzna warstwa stabilizowanego dwutlenku cyrkonu. Warstwy takie plazmowo natryskuje sie na podloze. Obecnie uwaza sie, ze mozna to przeprowadzic sprawniej i przy nizszych kosztach przez wprowadzenie metod dajacych w efekcie ciagly wzrost stezenia dwutlenku cyrkonu od 0 na powierzchni granicznej miedzy natryskiwana warstwa a podlozem, do 100% na zewnetrznej powierzchni warstwy natryskiwanej. Na ogól naklada sie powloki o grubosci okolo 380 /um.Stosowane techniki szczególowo omawiaja opisy patentowe Stanów Zjednoczonych nr 3006782, 2937102, 3091 548 i 3 522064.Obecnie, jednym z najchetniej stosowanych skladników ceramicznych jest dwutlenek cyr¬ konu, który mozna stosowac zarówno sam jak i w mieszaninach z takimi substancjami jak tlenek magnezu, tlenek wacjpia, tlenek itru, tlenek lantanu, tlenek cezu, znanymi jako stabilizatory dwutlenkiTcyrkonu w bardziej pozadanym, regularnym ukladzie krystalicznym. Zgodnie z tym, jeden z najlepszych znanych srodków zabezpieczajacych podloza z nadstopów na bazie niklu i kobaltu przed dzialaniem wysokiej temperatury sklada sie z ceramicznej warstwy dwutlenku cyrkonu nalozonej na podloze ze stopu nikiel-chrom lub nikiel-glin, w której stezenie ceramicznego skladnika wzrasta albo w sposób ciagly albo nieliniowo niewielkimi skokami od podloza do warstwy zewnetrznej.Po zastosowaniu tych ukladów i stwierdzeniu ich dobrej pracy, zaobserwowano wystepowanie pewnych wad. Stwierdzono, ze powstaja one na skutek tlenowej degradacji skladników metalo¬ wych, po której nastepuje zluszczanie zewnetrznej warstwy ceramicznej, przy tym, usuwanie tych wad jest utrudnione z powodu odpornosci metalowego skladnika na dzialanie kwasnych roztwo¬ rów usuwajacych warstwe powloki. Stwierdzono, ze odpowiedni dobór metalowej powloki wiaza¬ cej wplywa w znacznym stopniu na poprawe funkcjonowania termicznej bariery, jak równiez w przypadku koniecznosci umozliwia naprawy przedmiotu.Zgodnie z wynalazkiem, sposób wytwarzania bariery termicznej w postaci metalowo- ceramicznej warstwy, na podlozu z nadstopu na bazie niklu lub kobaltu, przez nakladanie na to podloze metalowej powloki wiazacej i nakladaniu z nia lub na nia ceramicznej warstwy na bazie dwutlenku cyrkonu, polega zgodnie z wynalazkiem na tym, ze powloke wiazaca naklada sie ze stopu zawierajacego 15-40% chromu, 10-25% glinu, do 1% itru, przy czym reszte stanowi material wybrany z grupy skladajacej sie z zelaza, kobaltu, niklu oraz mieszaniny niklu i kobaltu co daje nieoczekiwany wzrost wytrzymalosci cieplnej bariery.Korzystnie, naklada sie powloke wiazaca ze stopu zawierajacego 15-40% chromu, 10-25% glinu, 0,01-1% itru, w którym reszte stanowi kobalt.Oczywiste jest, ze aczkolwiek nakladanie warstwy w sposób ciagly jest korzystniejsze, to jednak przy braku odpowiedniej aparatury do ciaglego natryskiwania ze stopniowaniem zwieksza¬ nia zawartosci dwutlenku cyrkonu mozna nalozyc jedna lub wiecej warstw kolejno zwiekszajac w kazdej zawartosc dwutlenku cyrkonu.Dwutlenek cyrkonu w warstwie tworzacej bariere termiczna jest stabilizowany w ukladzie regularnym dodatkiem tlenku wapnia lub tlenku magnezu. Moze takze zawierac inne tlenki takie jak tlenek itru lub tlenek lantanu, które sa znane jako trwale stabilizatory dwutlenku cyrkonu w ukladzie regularnym, lub metastabilizatory takie jak trójtlenek cezu. Mozliwe równiez jest dodawa¬ nie antystabilizatorów takich jak tlenek niklu, tlenek cynku, tlenek kobaltu w domieszkach ze stabilizowanym, regularnym dwutlenkiem cyrkonu aby dopasowac wlasnosci czesci ceramicznych pod wzgledem odpornosci na uderzenie cieplne przez dobór wytrzymalosci na sciskanie i wspól¬ czynników rozszerzalnosci cieplnej odpowiednio do wlasnosci metalicznego podloza. Stosowany termin „dwutlenek cyrkonu** jaki uzyto ponizej oznacza czysty dwutlenek cyrkonu oraz obejmuje materialy ceramiczne oparte na bazie dwutlenku cyrkonu zjedna lub wiecej domieszkami, które podano przykladowo powyzej.Przyklad I. Plyty ze stopu typu Hastelloy X zawierajacego w procentach wagowych 0,1C, 0,5Mn, 0,5Si, 22Cr, 1,5Co, 9Mo, 0,6W, 18,5Feoraz reszta Ni pokryto znana powloka o skladzieNi- Cr oraz Z1O2, zmieniajacym sie stopniowo w sposób ciagly oraz powloka wytworzona sposobem wedlug wynalazku zawierajaca wagowo 67,5% Co, 20% Cr, 12% Al, 0,5% Y i 17% Zr02 stabilizo¬ wanego tlenkiem magnezu, w warstwach o grubosci 0,022-0,035 cm.120368 3 Powloki naklada sie za pomoca pistoletu plazmowego model 1068 zdysza typu 106F45H-1, w plazmotronie model PS-61M o mocy 40 kW, i dwu zasilaczy proszkowych model 1008A. Jeden zasilacz proszkowy zawiera stop powloki wiazacej, drugi zawiera dwutlenek cyrkonu. W obu zasilaczach stosowano nadcisnienie argonu. Przez zmiany predkosci przeplywu w poszczególnych zasilaczach proszkowych otrzymuje sie ciagla zmiane stezenia materialu ceramicznego w powloce termicznej bariery. Granulacja proszku nie jest parametrem krytycznym i w stosowanej aparaturze uzywano sproszkowanego stopu powloki wiazacej o granulacji 0,03-0,05 mm, uznanej za najlep¬ sza. Uzycie zbyt drobnego granulatu powodowalo zatykanie dyszy pistoletu do napylania na skutek zbyt szybkiego topnienia proszku.Próbke z powloka o znanym skladzie poddano 100-godzinnej i 200-godzinnej statycznej próbie utleniania w temperaturze 1253K. Metalograficzne badanie struktury powloki po próbie wykazalo, ze niklowo-chromowy skladnik po 100 godzinach ulegl znacznemu utlenieniu. Inna próbke wykonana w ten sam sposób poddano testowi utleniania w temperaturze 1368K a nastepnie zahartowano w wodzie. Metalograficzne badanie struktury powloki po takiej próbie wykazalo prawie calkowite utlenienie niklu z peknieciami biegnacymi pionowo przez powloke w kierunku metalowego podloza.Natomiast metalograficzne badanie próbek z powloka sposobem wedlug wynalazku wykazalo znacznie mniejsze utlenienie zwiazanej powloki, co wskazuje na przedluzenie jej trwalosci. Prowa¬ dzono równiez badania próbek w zlozu fluidalnym, polegajace na poddaniu ich dzialaniu tempera¬ tury 1253K przez 2 minuty, a nastepnie chlodzeniu przez 2 minuty w temperaturze pokojowej.Badanie przerwano po 100 cyklach i stwierdzono zadawalajaca przyczepnosc powloki do stopu podloza, a metalograficzne badanie skladników stopu wykazalo tylko czesciowe ich utlenienie.Natomiast próbki ze stopu niklowo-chromowego ulegly w tych warunkach calkowitemu utlenieniu.Przyklad II. Wewnetrzne powierzchnie kilku normalnej wielkosci komór spalania silnika gazowej turbiny ze stopu Hastelloy X o skladziejak wyzej, pokryto stopniowanym w sposób ciagly stopem MgO(ZrO;rkobalt) chrom(glin)itr o wyzej podanym skladzie i poddano próbom silniko¬ wym. Po 150-cio godzinnej próbie wytrzymalosciowej badany stop byl znacznie lepszy pod wzgledem odpornosci krawedzi na kruszenie niz konwencjonalne powloki z 17% MgO/Zr02 Ni-20% Cr, którym pokryto inna komore spalania w takiej samej próbie.Zastrzezenia patentowe 1. Sposób wytwarzania bariery termicznej w postaci metalowo-ceramicznej warstwy na pod¬ lozu z nadstopu na bazie niklu lub kobaltu, przez nakladanie na to podloze metalowej powloki wiazacej i nakladanie z nia lub na nia ceramicznej warstwy na bazie dwutlenku cyrkonu, znamienny tym, ze powloke wiazaca naklada sie ze stopu zawierajacego 15-40% chromu, 10-25% glinu, do 1% itru, przy czym reszte stanowi material wybrany z grupy skladajacej sie z zelaza, kobaltu, niklu oraz mieszaniny niklu i kobaltu. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze naklada sie powloke wiazaca ze stopu zawiera¬ jacego korzystnie 15-40% chromu, 10-25% glinu, 0,01-1% itru, w którym reszte stanowi kobalt. PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Sposób wytwarzania bariery termicznej w postaci metalowo-ceramicznej warstwy na pod¬ lozu z nadstopu na bazie niklu lub kobaltu, przez nakladanie na to podloze metalowej powloki wiazacej i nakladanie z nia lub na nia ceramicznej warstwy na bazie dwutlenku cyrkonu, znamienny tym, ze powloke wiazaca naklada sie ze stopu zawierajacego 15-40% chromu, 10-25% glinu, do 1% itru, przy czym reszte stanowi material wybrany z grupy skladajacej sie z zelaza, kobaltu, niklu oraz mieszaniny niklu i kobaltu.
2. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze naklada sie powloke wiazaca ze stopu zawiera¬ jacego korzystnie 15-40% chromu, 10-25% glinu, 0,01-1% itru, w którym reszte stanowi kobalt. PL