RU2078849C1 - Powder charge and method to produce out of it protective metal-ceramic coating on pieces of dispersion-hardening nickle alloys - Google Patents
Powder charge and method to produce out of it protective metal-ceramic coating on pieces of dispersion-hardening nickle alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2078849C1 RU2078849C1 RU94035846A RU94035846A RU2078849C1 RU 2078849 C1 RU2078849 C1 RU 2078849C1 RU 94035846 A RU94035846 A RU 94035846A RU 94035846 A RU94035846 A RU 94035846A RU 2078849 C1 RU2078849 C1 RU 2078849C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- slip
- layer
- nickel
- boron
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к созданию средств защиты конструкционных материалов от воздействия агрессивных сред и, в частности, к металлокерамическому покрытию, применяемому в ЖРД для защиты проточной части турбины, работающей в условиях циклических нагрузок в среде высокотемпературного генераторного газа с избытком окислителя при наличии в нем инородных частиц, являющихся инициатором возгорания. Кроме того, изобретение относится к способу получения этого покрытия на изделиях из сплавов на никелевой основе. The invention relates to the creation of protective equipment for structural materials from aggressive environments and, in particular, to the ceramic-metal coating used in the liquid propellant rocket engine to protect the turbine flow section operating under cyclic loads in a high-temperature generator gas with an excess of oxidizing agent in the presence of foreign particles, initiating a fire. In addition, the invention relates to a method for producing this coating on products from nickel-based alloys.
В практике ЖРД довольно широко применяются жаростойкие покрытия, обеспечивающие защиту металлоконструкций от высокотемпературной газовой коррозии. Основные требования, предъявляемые к свойствам покрытия: высокая допустимая температура поверхности, хорошее сцепление покрытия с защищаемым материалом, стойкость по отношению к вибрационным нагрузкам, механическим и тепловым ударам. Выбор материала указанных покрытий производится из довольно широкого круга химических элементов, их окислов, нитридов и карбидов. In practice, liquid propellant rocket engines are widely used heat-resistant coatings that protect metal structures from high-temperature gas corrosion. The main requirements for the coating properties: high permissible surface temperature, good adhesion of the coating to the protected material, resistance to vibration loads, mechanical and thermal shock. The choice of material for these coatings is made from a fairly wide range of chemical elements, their oxides, nitrides and carbides.
Например, известны жаростойкие покрытия, состоящие из окислов металлов: патент США N 4289447 (комбинированное покрытие, включающее два первых слоя из сплава NiCrAlY и поверхностный слой из оксида циркония с добавлением оксида магния 6 25%), патент США N 4377371 (покрытие из оксида циркония с добавками Y2O3 12%), патент США N 4764089 (покрытие на основе нитрида кремния, наносится на детали, изготовленные из сплава NiCrAlY), патент США N 4594053 (покрытие из оксида циркония наносится на внутреннюю поверхность камеры сгорания прямоточного ракетного двигателя), патент США N 4669955 (на никелевое покрытие наносится оксид циркония с добавками оксида магния).For example, heat-resistant coatings consisting of metal oxides are known: US Pat. No. 4,289,447 (combined coating comprising the first two layers of NiCrAlY alloy and a surface layer of zirconium oxide with the addition of
Указанные выше керамические покрытия наносятся на поверхности деталей в основном электроплазменным напылением. Такой способ нанесения покрытий не обеспечивает равномерную толщину покрытия на всех участках деталей сложной конфигурации. The above ceramic coatings are applied on the surface of parts mainly by electroplasma spraying. This method of coating does not provide a uniform coating thickness in all parts of the complex configuration.
Известно также стеклокристаллическое покрытие ЭВК 103, получаемое из шликера с последующим обжигом на воздухе при температуре 1180oC [С.С. Солнцев "Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали", 1984]
Однако это покрытие разрушается при температурах около 650oC из-за хрупкости и малой эрозионной стойкости.Also known is a glass-crystal coating of EVK 103, obtained from a slip followed by firing in air at a temperature of 1180 o C [S. S. Solntsev "Protective technological coatings and refractory enamels", 1984]
However, this coating is destroyed at temperatures of about 650 o C due to brittleness and low erosion resistance.
По этой же причине разрушается стеклоэмалевое покрытие ЭС-1 по ОСТ-92-0959-75. For the same reason, the glass enamel coating ES-1 is destroyed according to OST-92-0959-75.
Известны также защитные покрытия, содержащие слой никеля, который наносится непосредственно на поверхность проточной части турбины и газовода (заявка Японии 54-21415, 1979 г. кл. C 23 D 5/10, а.с. N 1474182 C 25 D 5/50). Покрытие выполнено либо из одного никеля, либо многослойное, в котором поверх никеля нанесен слой другого покрытия. Адгезия никеля с материалом элемента конструкции обеспечивается с помощью термообработки. Protective coatings are also known containing a layer of nickel that is applied directly to the surface of the flow part of the turbine and gas duct (Japanese application 54-21415, 1979, class C 23
Изделия, содержащие элементы конструкции с никелевым покрытием на их поверхностях, имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что у агрегатов после нанесения никелевого покрытия снижается усталостная прочность. Такой недостаток отрицательно влияет на ресурс работы агрегата, который особенно важен для конструкций ЖРД многоразового использования. Кроме того, эти покрытия не могут быть нанесены на цельноизготовленные изделия сложной формы, имеющие малые проходные сечения, полости и т.д. Products containing structural elements with a nickel coating on their surfaces have a significant drawback, namely that fatigue strength decreases in units after applying a nickel coating. Such a disadvantage negatively affects the life of the unit, which is especially important for reusable rocket engine designs. In addition, these coatings cannot be applied to whole-fabricated products of complex shape, having small passage sections, cavities, etc.
Наиболее близким по составу к предлагаемому является металлокерамическое покрытие, описанное в а.с. N 916458. Масса для получения покрытия на стали содержит в своем составе мас. The closest in composition to the proposed is a cermet coating described in A.S. N 916458. The mass for coating on steel contains in its composition wt.
Фритта 23-53
Порошок никеля 20-45
Бентонит 1-2
Вода 20-30
Недостатками прототипа являются низкая рабочая температура и значительный унос при температуре выше 750oC.Frit 23-53
Nickel Powder 20-45
Bentonite 1-2
Water 20-30
The disadvantages of the prototype are the low operating temperature and significant ablation at temperatures above 750 o C.
Задачей изобретения является создание металлокерамического покрытия, стойкого к термоциклическому и эрозионному воздействию высокоскоростного и высокотемпературного потока кислородсодержащего газа, включающего инородные частицы, являющиеся инициаторами возгорания. The objective of the invention is to provide a cermet coating that is resistant to thermocyclic and erosive effects of high-speed and high-temperature flow of oxygen-containing gas, including foreign particles that initiate ignition.
Другой задачей изобретения является создание способа получения защитного покрытия на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов. Another objective of the invention is to provide a method for producing a protective coating on products of precipitation hardening nickel alloys.
Задача решена за счет того, что металлокерамическое покрытие, включающее никель, оксиды кремния, бора, бария, дополнительно содержит кремний, бор, хром, диборид титана, дисилицид молибдена при соотношении компонентов, мас. The problem is solved due to the fact that the cermet coating, including nickel, oxides of silicon, boron, barium, additionally contains silicon, boron, chromium, titanium diboride, molybdenum disilicide in the ratio of components, wt.
Никель 40-55
Кремний 5-11
Бор 2-6
Хром 5-11
Диборид титана 2-7
Дисилицид молибдена 1-4
Оксид бария 8-19
Оксид кремния 4-9
Оксид бора 3-8
Задача получения металлокерамического покрытия на изделиях из сплавов на никелевой основе, стойкого в среде кислородсодержащего газа с высокой температурой, с частицами из сплава AMr6 решена за счет нанесения нескольких слоев шликера на поверхность изделия, при этом сушку каждого слоя проводят на воздухе в течение времени, при котором происходит исчезновение влажных пятен на поверхности слоя, а обжиг первого слоя проводят при температуре старения указанных сплавов в течение 1-2 ч, а последующих слоев - при той же температуре в течение 20-30 мин.Nickel 40-55
Silicon 5-11
Bor 2-6
Chrome 5-11
Titanium Diboride 2-7
Molybdenum Disilicide 1-4
Barium Oxide 8-19
Silica 4-9
Boron Oxide 3-8
The problem of obtaining a ceramic-metal coating on products made of nickel-based alloys that is stable in an environment of oxygen-containing gas with a high temperature and particles of
Технический результат отсутствие дефектов в металлокерамическом покрытии изготовляемого изделия, повышение рабочей температуры покрытия, упрощение процесса нанесения покрытия, возможность нанесения на детали и узлы сложной формы, повышение прочности сцепления покрытия с металлом и обеспечение равномерной толщины покрытия на всех участках изделия, обеспечение заданной толщины покрытия за счет наслоения. EFFECT: absence of defects in the ceramic-metal coating of the manufactured product, increase in the working temperature of the coating, simplification of the coating process, the possibility of applying to parts and assemblies of complex shape, increasing the adhesion strength of the coating to the metal and ensuring uniform coating thickness in all areas of the product, ensuring a given coating thickness for account layering.
Для опробования предлагаемого металлокерамического покрытия и способа получения этого покрытия на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов были взяты мелкодисперсные порошки (менее 56 мкм) никеля, хрома, кремния, бора, дибората титана, дисилицида молибдена и предварительно сваренной из оксида бария, оксида бора, оксида кремния и измельченной стеклосвязки в требуемых согласно рецептуре количествах. В сухую шихту добавляют воду, часовярскую глину (3-5 мас. сверх 100 мас. сухой шихты) и приготавливают шликер. To test the proposed ceramic-metal coating and the method for producing this coating, finely dispersed powders (less than 56 μm) of nickel, chromium, silicon, boron, titanium diborate, molybdenum disilicide and pre-welded from barium oxide, boron oxide were taken on products from precipitation hardening nickel alloys, silicon oxide and ground glass bonds in the quantities required according to the recipe. Water, watch clay clay (3-5 wt. Over 100 wt. Dry mixture) are added to the dry charge and a slip is prepared.
Наносят шликер на детали методом окунания, залива или распыления в зависимости от сложности и конфигурации. Apply a slip to the parts by dipping, pouring or spraying, depending on complexity and configuration.
Сушат шликерные слои на воздухе до исчезновения влажных пятен либо при нагреве до 80-90oC в сушильной камере или в потоке горячего газа (воздуха) при температуре 80-90oC.Slip layers are dried in air until the wet spots disappear or when heated to 80-90 o C in a drying chamber or in a stream of hot gas (air) at a temperature of 80-90 o C.
Формируют (обжигают) покрытие при нагреве в печи на воздухе при температуре 850±50oC (температура старения дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов) в течение 1-2 ч для первого слоя и 20-30 мин для последующих слоев.A coating is formed (fired) when heated in an oven in air at a temperature of 850 ± 50 o C (aging temperature of precipitation hardening nickel alloys) for 1-2 hours for the first layer and 20-30 minutes for subsequent layers.
При изготовлении изделий из сплавов на никелевой основе: ЭП-202, ЭП-741НП, ЭП-99 обжиг шликерных слоев проводят при температурах 850±10oC, 870±10oC и 900±10oC соответственно.In the manufacture of products from nickel-based alloys: EP-202, EP-741NP, EP-99, the firing of slip layers is carried out at temperatures of 850 ± 10 o C, 870 ± 10 o C and 900 ± 10 o C, respectively.
Пример конкретного использования. В качестве образцов были взяты пластинки 30х40х2 мм и стержни диаметром 6 мм, длиной 26 мм из никелевого сплава ЭП 741 НП и цельноизготовленный ротор турбонасосного агрегата ЖРД. Шликер наносили методом окунания. Сушили шликерный слой на воздухе до исчезновения влажных пятен, а затем в сушильном шкафу при температуре 80-90oC. На ротор ТНА шликер наносили также методом окунания, при этом в процессе окунания его вращали в одной плоскости, а затем в процессе сушки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Обжигали покрытие при температурах 800, 850, 900oC в обычной электропечи на воздухе. Первый слой обжигания в течение 1; 1,5; 2 ч, второй и третий в течение 20, 25, 30 мин.An example of a specific use. The samples were 30 × 40 × 2 mm plates and
Кроме того, были изготовлены образцы с покрытием, взятым в качестве прототипа. In addition, samples were produced with a coating taken as a prototype.
Оценивали прочность сцепления покрытия с подложкой, термическую устойчивость и стойкость к возгоранию образцов с покрытием. О прочности сцепления судили по характеру скола покрытия от удара 0,5 кгс/м на копре по ГОСТ 4765-73. The adhesion strength of the coating to the substrate, thermal stability, and fire resistance of coated samples were evaluated. Adhesion strength was judged by the nature of the coating cleavage due to impact of 0.5 kgf / m on the copra according to GOST 4765-73.
Термически устойчивыми считали покрытия, выдержавшие без разрушения 25 термоциклов: 900oC ⇄ 20oC (вода).Coatings that withstood 25 thermal cycles without breaking: 900 o C ⇄ 20 o C (water) were considered thermally stable.
Стойкость к возгоранию определяли по методике на специальной установке в потоке газообразного кислорода при давлении 150±10 кгс/см и температуре до 900oC (при воздействии частиц сплава AMг6 размером менее 0,4 мм, суммарной массой навески 0,05 г.).Fire resistance was determined by the method on a special installation in a stream of gaseous oxygen at a pressure of 150 ± 10 kgf / cm and temperature up to 900 o C (when exposed to particles of
Составы рецептур заявляемого металлокерамического покрытия с минимальными, максимальными и средними значениями содержания исходных компонентов и состав покрытия, взятого в качестве прототипа, приведены в табл.1. The composition of the inventive ceramic-metal coating with minimum, maximum and average values of the content of the starting components and the composition of the coating, taken as a prototype, are given in table 1.
Уменьшение в заявленном покрытии содержания никеля ниже минимальных значений приводит к охрупчиванию покрытия, уменьшение бора, диборида титана, оксидов бария, бора, кремния повышает температуру обжига покрытия. A decrease in the nickel content in the claimed coating below the minimum values leads to embrittlement of the coating, a decrease in boron, titanium diboride, barium oxides, boron, silicon increases the firing temperature of the coating.
Увеличение содержания компонентов выше максимальных значений приводит к снижению механической прочности, прочности сцепления, появлению избытка стеклофазы. An increase in the content of components above maximum values leads to a decrease in mechanical strength, adhesion strength, and the appearance of an excess of glass phase.
Режимы обжига и свойства покрытий указаны в табл.2. Firing modes and coating properties are shown in table 2.
Анализ представленных в табл. 2 данных позволяет сделать заключение о преимуществах предлагаемого покрытия по сравнению с прототипом. Оно прочно удерживается на никелевом сплаве, не скалывается, в то время как покрытие-прототип, предназначенное для нанесения на стали и оплавляющееся при температуре обжига, скалывается от удара и неработоспособно при температуре 900oC, будучи в жидкотекучем состоянии. Предлагаемое покрытие при температуре испытания 900oC находится в твердом состоянии, является прочным и стойким к воздействию высокоскоростного потока кислорода, содержащего расплавленные частицы алюминиевого сплава AMr6 и к циклическому воздействию температур.The analysis presented in table. 2 data allows you to make a conclusion about the advantages of the proposed coating in comparison with the prototype. It is firmly held on a nickel alloy, does not chip, while the prototype coating, intended for application to steel and melted at a firing temperature, is chipped from impact and is not operable at a temperature of 900 o C, being in a fluid state. The proposed coating at a test temperature of 900 o C is in the solid state, is durable and resistant to high-speed oxygen flow containing molten particles of
Опробованные покрытия на роторе турбонасосного агрегата ЖРД при разгонных испытаниях также показало, что покрытие прочно удерживается на детали сложной формы, имеющей острые кромки, и не разрушается при воздействии вибрационных нагрузок. The tested coatings on the rotor of the turbo-pumping engine rocket engine during acceleration tests also showed that the coating is firmly held on parts of complex shape with sharp edges and does not deteriorate when exposed to vibration loads.
Использование предлагаемого металлокерамического покрытия и способа получения этого покрытия на изделия из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов обеспечивает надежную работоспособность теплонапряженных деталей и узлов ТНА ЖРД в условиях циклического воздействия потока кислородсодержащего газа, содержащего металлические частицы, например из сплава AMr6, при температуре до 900oC.The use of the proposed cermet coating and a method for producing this coating on products of dispersion hardening nickel alloys ensures reliable performance of heat-stressed parts and components of ТНА ЛRE in conditions of cyclic exposure to a stream of oxygen-containing gas containing metal particles, for example from
Claims (12)
Оксид бария 8 19
Оксид бора 3 8
Оксид кремния 4 9
Кремний 5 11
Бор 2 6
Хром 5 11
Борид титана 2 7
Дисилицид молибдена 1 4
2. Способ получения из порошковой шихты защитного покрытия на изделиях из дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов, включающий приготовление шликера путем смешивания порошковой шихты, содержащей никель, оксиды бария, бора, кремния с водой, нанесение ее на поверхность изделия, сушку и обжиг, отличающийся тем, что смешивают шихту, дополнительно содержащую кремний, бор, хром, борид титана, дисилицид молибдена, с водой и часоварской глиной, шликер наносят в несколько слоев, сушку каждого слоя осуществляют в течение времени, необходимого для исчезновения на поверхности влажных пятен, а обжиг проводят при температуре старения никелевых сплавов, причем первый слой обжигают в течение 1 2 ч, а последующие слои в течение 20 30 мин.Nickel 40 55
Barium oxide 8 19
Boron oxide 3 8
Silica 4 9
Silicon 5 11
Boron 2 6
Chrome 5 11
Boride of the Titan 2 7
Molybdenum disilicide 1 4
2. A method of obtaining a protective coating from a powder mixture on products of dispersion hardening nickel alloys, comprising preparing a slip by mixing a powder mixture containing nickel, barium, boron, silicon oxides with water, applying it to the surface of the product, drying and calcining, characterized in that mix the mixture, additionally containing silicon, boron, chromium, titanium boride, molybdenum disilicide, with water and Chasarovskaya clay, the slip is applied in several layers, each layer is dried for the time required for and Disappearance of wet spots on the surface, and firing is performed at a temperature of aging nickel alloys, wherein the first layer is calcined for 1 2 hours and subsequent layers 30 for 20 min.
40 мкм.9. The method according to claim 2, characterized in that the first layer is applied with a thickness of 30
40 microns.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94035846A RU2078849C1 (en) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | Powder charge and method to produce out of it protective metal-ceramic coating on pieces of dispersion-hardening nickle alloys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94035846A RU2078849C1 (en) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | Powder charge and method to produce out of it protective metal-ceramic coating on pieces of dispersion-hardening nickle alloys |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94035846A RU94035846A (en) | 1996-08-10 |
| RU2078849C1 true RU2078849C1 (en) | 1997-05-10 |
Family
ID=20160851
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94035846A RU2078849C1 (en) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | Powder charge and method to produce out of it protective metal-ceramic coating on pieces of dispersion-hardening nickle alloys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2078849C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2481923C2 (en) * | 2011-06-10 | 2013-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method of boring cylindrical holes in parts |
| RU2675849C1 (en) * | 2018-06-20 | 2018-12-25 | Михаил Степанович Бондаренко | Solid lubricating composition for formation of metal-ceramic coating in friction units |
| RU2685905C1 (en) * | 2017-12-05 | 2019-04-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Material for heat-resistant protective coating |
-
1994
- 1994-09-26 RU RU94035846A patent/RU2078849C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2481923C2 (en) * | 2011-06-10 | 2013-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method of boring cylindrical holes in parts |
| RU2685905C1 (en) * | 2017-12-05 | 2019-04-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Material for heat-resistant protective coating |
| RU2675849C1 (en) * | 2018-06-20 | 2018-12-25 | Михаил Степанович Бондаренко | Solid lubricating composition for formation of metal-ceramic coating in friction units |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94035846A (en) | 1996-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5677060A (en) | Method for protecting products made of a refractory material against oxidation, and resulting protected products | |
| JP4260235B2 (en) | Coating composition for metal-based substrate and related process | |
| US7736760B2 (en) | Ceramic abradable material with alumina dopant | |
| EP0187919B1 (en) | Aluminum and silica clad refractory oxide thermal spray powder | |
| US6632762B1 (en) | Oxidation resistant coating for carbon | |
| RU2159386C1 (en) | Composition for making cermet coat | |
| EP0086330B1 (en) | Aluminium clad refractory oxide flame sparying powder | |
| JPS641552B2 (en) | ||
| CZ302825B6 (en) | Method of carrying out repair of thermal barrier coating | |
| Zawada et al. | Consequence of intermittent exposure to moisture and salt fog on the high‐temperature fatigue durability of several ceramic‐matrix composites | |
| Chen et al. | Environmental barrier coatings using low pressure plasma spray process | |
| US5260125A (en) | Ceramic composite of aluminoborosilicate fibers coated with several layers | |
| SU1505441A3 (en) | Coating composition | |
| Ahmaniemi et al. | Characterization of modified thick thermal barrier coatings | |
| RU2078849C1 (en) | Powder charge and method to produce out of it protective metal-ceramic coating on pieces of dispersion-hardening nickle alloys | |
| US20120064255A1 (en) | Vibration damping coating | |
| GB2130244A (en) | Forming coatings by hot isostatic compaction | |
| RU2260071C1 (en) | Method of application of heat-insulating erosion-resistant coat | |
| Astapov et al. | INFLUENCE OF AIR PLASMA FLOW ON A CF/SiC COMPOSITE WITH A Si-TiSi2-MoSi2-TiB2-CaSi2 HEAT-RESISTANT COATING SYSTEM. | |
| US20140141175A1 (en) | Vibration damping coating | |
| JP2812019B2 (en) | Carbon fiber / carbon composite | |
| US5350447A (en) | Coating for ceramic composites | |
| RU2679774C1 (en) | Method of producing heat-resistant glass-ceramic coating | |
| JPS5811796A (en) | Heat protective heat resistant alloy structure and coating of surface of heat resistant alloy | |
| Godfrey et al. | The resistance of silicon nitride ceramics to thermal shock and other hostile environments |