RU2120494C1 - Method of applying protective coatings with chemical composition and structure gradient along its thickness with outside ceramic layer (version) - Google Patents
Method of applying protective coatings with chemical composition and structure gradient along its thickness with outside ceramic layer (version) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2120494C1 RU2120494C1 RU97109250A RU97109250A RU2120494C1 RU 2120494 C1 RU2120494 C1 RU 2120494C1 RU 97109250 A RU97109250 A RU 97109250A RU 97109250 A RU97109250 A RU 97109250A RU 2120494 C1 RU2120494 C1 RU 2120494C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zro
- evaporation
- gradient
- thickness
- coatings
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Область техники
Изобретение относится к области получения высокотемпературных материалов, используемых для защиты от окисления и газовой коррозии и в качестве защитных покрытий термонагруженных деталей газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. В частности, изобретение относится к области электронно-лучевой технологии получения защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине (функционально градиентных покрытий - FG Coats) с внешним керамическим слоем на подложке испарением и конденсацией металлов/сплавов и химических соединений (оксидов), имеющих различную температуру плавления и давление паров в вакууме.Technical field
The invention relates to the field of high-temperature materials used to protect against oxidation and gas corrosion and as protective coatings for thermally loaded parts of gas turbines and internal combustion engines. In particular, the invention relates to the field of electron beam technology for producing protective coatings with a gradient of chemical composition and thickness structure (functionally gradient coatings - FG Coats) with an external ceramic layer on a substrate by evaporation and condensation of metals / alloys and chemical compounds (oxides) having different melting points and vapor pressure in a vacuum.
Предшествующий уровень техники
Функционально градиентные покрытия характеризуются непрерывным (плавным) или прерывистым (слоистым) изменением химического состава и структуры по толщине защитного слоя. Градиент изменения химического состава и структуры можно получать различными технологическими процессами.State of the art
Functionally gradient coatings are characterized by continuous (smooth) or intermittent (layered) changes in the chemical composition and structure along the thickness of the protective layer. The gradient of changes in chemical composition and structure can be obtained by various technological processes.
Общеизвестным примером способа получения защитного покрытия (с градиентом химического и фазового состава по толщине защитного слоя) является диффузионный способ получения покрытий с использованием методов химико-термической обработки [Тамарин Ю.А., Жаростойкие диффузионные покрытия лопаток ГТД. - М., Машиностроение, 1978, 134 с.]. Главным недостатком подобных защитных покрытий ввиду самого способа их получения является низкая термическая стабильность защитного слоя в условиях высоких температур. Эти покрытия не могут обеспечить также тепловой защиты лопаток газовых турбин. A well-known example of a method for producing a protective coating (with a gradient of chemical and phase composition over the thickness of the protective layer) is a diffusion method for producing coatings using chemical-thermal treatment methods [Tamarin Yu.A., Heat-resistant diffusion coatings of GTE blades. - M., Mechanical Engineering, 1978, 134 pp.]. The main disadvantage of such protective coatings in view of the method of their preparation is the low thermal stability of the protective layer at high temperatures. These coatings also cannot provide thermal protection for gas turbine blades.
Другими способами получения защитных покрытий являются технологии плазменного напыления на воздухе (APS), вакуум-плазменного напыления (VPS, LPPS) и электронно-лучевого осаждения (EB-PVD) покрытий на защищаемую подложку. Эти покрытия относятся к классу покровных (overlay) или независимых покрытий. Other methods for producing protective coatings are plasma spraying in air (APS), vacuum plasma spraying (VPS, LPPS), and electron beam deposition (EB-PVD) of coatings on the protected substrate. These coatings are classified as overlay or independent coatings.
Известно [заявка PCT/US93/95005 от 26.05.93 (WO 093/24676 от 09.12.93)] применение нескольких плазмотронов при нанесении теплозащитных и износостойких покрытий, когда их формирование осуществляется путем программного изменения режимов работы плазмотронов, управляемых компьютером. В результате достигается переменная концентрация упрочняющей фазы MeX (где X - кислород) по толщине наносимого слоя от 0% у подложки до оптимального значения 60-80-100% на внешней поверхности покрытия. Этот способ требует больших энергозатрат, весьма трудоемок, но главным недостатком является трудность стабилизации режимов работы плазмотронов для точного воспроизведения требуемого градиента состава и структуры по толщине защитного покрытия. It is known [application PCT / US93 / 95005 dated 05/26/93 (WO 093/24676 dated 12/09/93)] the use of several plasmatrons in the application of heat-protective and wear-resistant coatings, when their formation is carried out by programmatically changing the operating modes of the plasmatrons controlled by a computer. As a result, a variable concentration of the hardening phase MeX (where X is oxygen) is achieved over the thickness of the applied layer from 0% at the substrate to an optimal value of 60-80-100% on the outer surface of the coating. This method requires large energy costs, it is very time-consuming, but the main disadvantage is the difficulty of stabilizing the plasma torch operating modes to accurately reproduce the required gradient of composition and structure along the thickness of the protective coating.
Способ получения толстого ( δ ≤ 2 мм) градиентного покрытия, состоящего из отдельных микрослоев ( δ ≈ 70 мкм) переменного состава с плоской границей раздела между слоями с использованием одного плазмотрона, имеющего два раздельных питателя, описан в [ S.Sampalh et al. Thermal spray processing of FGMs/MRS Bulletin. - 1995, 20, 1, p. 27-29]. Там же приводится пример компьютерного обеспечения работы плазмотрона при нанесении градиентных покрытий NiCr-(ZrO2-8%Y2O3) со 100% керамики на поверхности защитного слоя. Суммарная толщина покрытия достигает 800 мкм. Однако такие покрытия не долговечны, так как наличие плоских границ между отдельными микрослоями создает благоприятные условия для зарождения на этих границах микротрещин, их роста и, как следствие, расслаивания и разрушения материала покрытия при термоциклировании.A method for producing a thick (δ ≤ 2 mm) gradient coating consisting of separate microlayers (δ ≈ 70 μm) of variable composition with a flat interface between the layers using a single plasma torch having two separate feeders is described in [S. Sampalh et al. Thermal spray processing of FGMs / MRS Bulletin. - 1995, 20, 1, p. 27-29]. It also provides an example of computer support for the operation of the plasma torch when applying gradient coatings of NiCr- (ZrO 2 -8% Y 2 O 3 ) with 100% ceramic on the surface of the protective layer. The total coating thickness reaches 800 microns. However, such coatings are not durable, since the presence of flat boundaries between individual microlayers creates favorable conditions for the initiation of microcracks at these boundaries, their growth and, as a result, the delamination and destruction of the coating material during thermal cycling.
Для увеличения долговечности теплозащитных покрытий толщиной δ ≤ 250 мкм, получаемых плазменным напылением на воздухе (APS), поверхность связующего слоя, например Ni-10Co-18Cr-6,5Al-0,3Y, подвергается дополнительному алитированию для того, чтобы получить во внешнем слое структуру интерметаллида типа β-(Mi,Co)Al с градиентом алюминия по толщине, когда на поверхности содержание алюминия достигает 26-30%. Указанный технологический прием повысил долговечность внешнего керамического слоя теплозащитного покрытия при циклическом изменении температуры 1135 ←→ 50oC (время цикла 1 час) с 70 до 210-170 термоциклов (часов) [Wortman D.H. et al. Bond coat development for thermal barrier coating. - Trans. ASME, J. Eng. for Gas Turbines & Power, - 1990, 12, 10, p. 527-530].To increase the durability of heat-resistant coatings with a thickness of δ ≤ 250 μm obtained by plasma spraying in air (APS), the surface of the bonding layer, for example Ni-10Co-18Cr-6,5Al-0,3Y, is subjected to additional aluminization in order to obtain in the outer layer the structure of β- (Mi, Co) Al type intermetallic compound with an aluminum thickness gradient when the aluminum content on the surface reaches 26-30%. The specified technological technique increased the durability of the outer ceramic layer of the heat-shielding coating with a cyclic temperature change of 1135 ← → 50 o C (
Подобные, градиентные по толщине покрытия MeCrALHf и MeCrALHfPt, получаемые комбинацией электронно-лучевого испарения стандартных сплавов MeCrAl и последующего ионного осаждения или катодного распыления гафния и платины, описаны в патенте США N 4123595 от 31.10.78. В патенте США N 4101715 от 18.07.78 предложено нанесение платины гальваническим путем на конденсированное покрытие CoCrAlY с последующей термообработкой в вакууме, что позволило существенно увеличить коррозионную стойкость жаропрочных сплавов, имеющих градиент распределения платины по толщине в наружном слое покрытия CoCrAlYPt. Коррозионная стойкость покрытий, содержащих платину, улучшается за счет ухудшения смачивания пленки Al2O3 расплавом солей. Недостатком вышеуказанных способов получения градиентных коррозионностойких покрытий является высокая теплопроводность и недостаточная термостойкость защитного слоя при многократных теплосменах.Similar, thickness-gradient coatings of MeCrALHf and MeCrALHfPt obtained by combining electron beam evaporation of standard MeCrAl alloys and subsequent ion deposition or cathodic sputtering of hafnium and platinum are described in US Pat. No. 4,123,595 of 10.31.78. U.S. Patent No. 4,101,715 of July 18, 78, proposes platinum plating on a CoCrAlY condensed coating followed by heat treatment in vacuum, which significantly increased the corrosion resistance of heat-resistant alloys having a gradient of platinum thickness distribution in the outer layer of CoCrAlYPt coating. Corrosion resistance of coatings containing platinum is improved due to the deterioration of wetting of the Al 2 O 3 film by molten salts. The disadvantage of the above methods for producing gradient corrosion-resistant coatings is the high thermal conductivity and insufficient heat resistance of the protective layer with multiple heat exchanges.
В трехслойном покрытии металл-керамика типа MeCrAlY/ZrO2-8%Y2O3 для увеличения термоциклической долговечности внешнего керамического слоя между защищаемой подложкой и основным жаростойким слоем вводится промежуточная однофазная пластичная прослойка толщиной 30-40 мкм, обеспечивающая градиент концентрации алюминия по толщине слоя от 3,5-5% у поверхности защищаемого сплава до 11-13% на поверхности жаростойкого связующего слоя. Данное техническое решение реализуется последовательным электронно-лучевым испарением сплавов различного химического состава из двух независимых источников в одной вакуумной камере [патент Великобритании N 2252567 от 11.09.91, патент Германии N 4103994 от 09.02.91, патент Италии N 1247155 от 07.02.91].In a three-layer metal-ceramic coating of the MeCrAlY / ZrO 2 -8% Y 2 O 3 type, in order to increase the thermocyclic durability of the outer ceramic layer, an intermediate single-phase
Известен способ получения керамического покрытия, имеющего высокую прочность сцепления с подложкой (промежуточным связующим покрытием) с использованием технологии электронно-лучевого испарения в вакууме [патент США N 4321311 от 23.03.82]. В этом патенте рассмотрено применение отжига деталей со связующим слоем Ni-Co-Cr-Al-Y, полученным плазменным напылением на воздухе или вакуумно-плазменным напылением (APS, VPS), во влажном водороде или низком вакууме и возможное введение в промежуточный металлический слой дисперсных частиц оксидных фаз для увеличения его термической стабильности при теплосменах. В патентах США N 4405660 от 20.09.83 и N 4414249 от 08.11.83 предложена полировка поверхности связующего слоя NiCoCrAlY, полученного методом вакуум-плазменного напыления, и его обработка в оксидирующей атмосфере с дозированным напуском кислорода для формирования мелкозернистой, прочно сцепленной с подложкой пленки Al2O3 толщиной 0,5 - 2,5 мкм в качестве переходной зоны металл-керамика перед электронно-лучевым осаждением керамического термобарьерного слоя ZrO2-7%Y2O3 толщиной от 125 до 1250 мкм.There is a method of producing a ceramic coating having high adhesion to a substrate (intermediate binder coating) using electron beam evaporation technology in vacuum [US patent N 4321311 from 03/23/82]. This patent describes the use of annealing parts with a Ni-Co-Cr-Al-Y bonding layer obtained by plasma spraying in air or vacuum-plasma spraying (APS, VPS) in wet hydrogen or low vacuum and the possible introduction of dispersed particles of oxide phases to increase its thermal stability during heat exchange. US Pat. Nos. 4,405,660 of 09/20/83 and Nos. 4,414,249 of 11/08/83 propose polishing the surface of a NiCoCrAlY binder layer obtained by vacuum-plasma spraying and treating it in an oxidizing atmosphere with a metered oxygen inlet to form a fine-grained, strongly bonded Al film substrate 2 O 3 with a thickness of 0.5 - 2.5 μm as a metal-ceramic transition zone before electron beam deposition of a ceramic thermal barrier layer ZrO 2 -7% Y 2 O 3 with a thickness of 125 to 1250 μm.
Авторами патентов США N 4880614 от 14.11.89 и N 5015502 от 14.05.91 для увеличения долговечности теплоизоляционного покрытия с внешним керамическим слоем из частично стабилизированного диоксида циркония, получаемым электронно-лучевым осаждением в вакууме, предложено формировать промежуточную однородную беспористую прослойку из высокочистого оксида Al2O3 (толщиной 1 мкм) методами химического осаждения (способ не раскрыт), при этом для получения градиента структуры внешнего теплозащитного слоя рекомендуется использовать лазерное оплавление поверхности керамического покрытия.The authors of US patents N 4880614 from 11/14/89 and N 5015502 from 05/14/91 to increase the durability of the thermal insulation coating with an external ceramic layer of partially stabilized zirconia obtained by electron beam deposition in vacuum, it is proposed to form an intermediate homogeneous non-porous interlayer of high-purity oxide Al 2 O 3 (1 μm thick) by chemical deposition methods (the method is not disclosed), while it is recommended to use laser fusion of the surface to obtain a gradient of the structure of the external heat-protective layer ty ceramic coating.
Приведенные выше решения являются достаточно громоздкими в технологическом плане и требуют использования дополнительного оборудования и, главное, длительного (4-8 часов) времени для получения на поверхности покрытия соответствующих барьерных слоев в виде α-Al2O3.The above solutions are quite cumbersome in terms of technology and require the use of additional equipment and, most importantly, a long (4-8 hours) time to obtain the corresponding barrier layers in the form of α-Al 2 O 3 on the coating surface.
В публикации [K. J.Schmilt-Thomas et al. Thermal barrier coatings with improved oxidation resistance/ Suiface & Cont. Technology. - 1994, 68/69, p. 113-115] рассматривается возможность получения барьерного слоя из оксида алюминия толщиной 2-5 мкм путем его реактивного распыления в вакууме из отдельного источника. Оксидная пленка формируется на поверхности жаростойких покрытий типа Ni-Cr, Ni-Cr-Al, MeCrAlY (Co-31Ni-21Cr-8Al-0,3Y), получаемых методами LPPS. Указанное техническое решение обеспечило увеличение окалиностойкости связующего слоя и сопротивление отслаиванию плазменно-напыленных керамических покрытий из стабилизированного диоксида циркония. In the publication [K. J. Schmilt-Thomas et al. Thermal barrier coatings with improved oxidation resistance / Suiface & Cont. Technology - 1994, 68/69, p. 113-115] the possibility of obtaining a barrier layer of aluminum oxide with a thickness of 2-5 microns by reactive spraying in vacuum from a separate source is considered. An oxide film is formed on the surface of heat-resistant coatings of the type Ni-Cr, Ni-Cr-Al, MeCrAlY (Co-31Ni-21Cr-8Al-0.3Y) obtained by LPPS methods. The specified technical solution provided an increase in the scale resistance of the binder layer and resistance to peeling of plasma-sprayed ceramic coatings of stabilized zirconia.
Наиболее близкий по совокупности признаков и потому взятый за прототип способ описан в патенте США N 4676994 от 30.06.87, кл. B 05 D 3/06, C 23 C 11/00. На защищаемую поверхность определенным способом наносят металлическое жаростойкое покрытие MeCrAlY, которое в дальнейшем выполняет роль промежуточного связующего слоя. После операций термомеханической обработки указанного MeCrAlY слоя на подложке, окончательной очистки и сушки детали помещают в установку для нанесения покрытий и подвергают радиационному нагреву. Источником тепла является нагреваемый электронным лучом до расплавления (исключав испарение) торец слитка полностью стабилизированного диоксида циркония ZrO2 (содержащего 20% оксида иттрия Y2O3), установленного в водоохлаждаемом тигле. Защищаемую деталь греют в течение 10 мин с дозированным напуском кислорода для того, чтобы на ее поверхности сформировался адаптивный слой на основе оксида Al2O3 толщиной 0,5 - 2,5 мкм (модификация на указана, но судя по заявленной температуре поверхности конденсации в интервале 900 - 1200oC, она может соответствовать γ- и α-модификациям Al2O3).The closest in combination of features and therefore taken as a prototype method is described in US patent N 4676994 from 06.30.87, cl. B 05
После выполнения указанных технологических операций варьированием удельной мощности, вкладываемой в расплавленную керамическую ванну, путем испарения и последующей конденсацией парового потока получают градиентное покрытие из стабилизированного диоксида циркония с различным размером зерна и плотности керамики в защитном слое. Плотность керамического слоя (δ = 2 - 3 мкм), примыкающего к связующему слою, составляет 96% от теоретической, и ее достигают при скорости осаждения парового потока стехиометрического диоксида циркония 0,5 мкм/мин. Давление напускаемого газа (воздуха или кислорода) должно находиться при этом в пределах (0,1 - 10•10-3 мм рт.ст.).After performing the indicated technological operations, by varying the specific power deposited in the molten ceramic bath, by evaporation and subsequent condensation of the vapor stream, a gradient coating of stabilized zirconia with a different grain size and ceramic density in the protective layer is obtained. The density of the ceramic layer (δ = 2–3 μm) adjacent to the binder layer is 96% of the theoretical one and is achieved at a vapor deposition rate of 0.5 μm / min stoichiometric zirconia. The pressure of the injected gas (air or oxygen) should be in the range (0.1 - 10 • 10 -3 mm Hg).
Описанный выше способ формирования защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине позволяет получить двух-, трех- или многослойные покрытия, как правило с плоскими поверхностями раздела металл/металл + оксид или оксид/оксид. Различие в физико-химических свойствах слоев, в первую очередь термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР), модуля Юнга, а также необратимые реакции окисления (газовой коррозии) на поверхностях раздела в процессе эксплуатации вызывают преждевременное разрушение покрытий, преимущественно керамического слоя. The method of forming protective coatings described above with a gradient of chemical composition and structure over thickness allows one to obtain two-, three-, or multilayer coatings, usually with flat metal / metal + oxide or oxide / oxide interfaces. The difference in the physicochemical properties of the layers, primarily thermal linear expansion coefficients (LTEC), Young's modulus, as well as irreversible oxidation reactions (gas corrosion) on the interface during operation cause premature destruction of coatings, mainly of the ceramic layer.
Устранение или ограничение нежелательных физико-химических процессов на границе металл - керамика можно осуществить созданием защитных покрытий с постепенным (плавным) изменением состава и структуры при переходе от одного слоя к другому. Такие покрытия могут быть получены конденсацией из паровой фазы путем электронно-лучевого испарения многокомпонентных смесей из одного источника, содержащих вещества с различной упругостью пара при температуре испарения. В работе [G.Zinsmeister. The direct evaporation of alloys/Vakuum - Technik. - 1964, N 8, p. 233 - 237] показано, что испарение двухкомпонентных расплавов всегда начинается с испарения компонента, имеющего более высокое давление пара. Затем, по мере увеличения количества испарившегося расплава, начинается испарение компонента с низким давлением пара. Эти различия проявляются тем сильнее, чем выше концентрация элемента с высоким давлением пара в испаряемой смеси. В результате указанной последовательности изменения состава паровой фазы в процессе испарения и конденсации на подложке (покрываемой детали) формируется градиент концентрации компонента по толщине покрытия. Таким образом, слой, прилегающий к подложке, содержит максимальное количество компонента с высоким давлением пара. Elimination or limitation of undesirable physical and chemical processes at the metal - ceramic interface can be achieved by creating protective coatings with a gradual (smooth) change in composition and structure during the transition from one layer to another. Such coatings can be obtained by condensation from the vapor phase by electron beam evaporation of multicomponent mixtures from a single source containing substances with different vapor elasticities at an evaporation temperature. In [G. Zinsmeister. The direct evaporation of alloys / Vakuum - Technik. - 1964,
Это явление использовано в предлагаемом способе получения защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине. This phenomenon is used in the proposed method for producing protective coatings with a gradient of chemical composition and structure in thickness.
Сущность изобретения
Поставлена задача: усовершенствовать известный способ получения защитного покрытия с градиентом химического состава и структуры по толщине путем использования в качестве испаряемого электронно-лучевым нагревом из одного тигля и конденсируемого на защищаемой подложке материала смеси металлов (сплавов) и оксидов, имеющих различную упругость пара при температуре испарения.SUMMARY OF THE INVENTION
The task: to improve the known method of obtaining a protective coating with a gradient of chemical composition and structure by thickness by using a mixture of metals (alloys) and oxides having different vapor elasticity at an evaporation temperature as vaporized by electron beam heating from one crucible and condensed on a protected substrate .
Поставленная задача может быть решена при помощи двух вариантов способа. The problem can be solved using two variants of the method.
По первому варианту в способе получения на подложке защитного покрытия с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем, включающем размещение керамического слитка из стабилизированного диоксида циркония в водоохлаждаемом тигле, электронно-лучевое испарение и последующую конденсацию парового потока на нагретой подложке, согласно изобретению предварительно прессуют штабик из смеси металлов (сплавов) и оксидов, имеющих различную упругость пара при температуре испарения, отжигают его в вакууме и размещают на торце керамического слитка, после чего осуществляют последовательное электронно-лучевое испарение штабика и керамического слитка. According to the first embodiment, in a method for producing a protective coating on a substrate with a gradient of chemical composition and thickness structure with an external ceramic layer, comprising placing a stabilized zirconia ceramic ingot in a water-cooled crucible, electron beam evaporation and subsequent condensation of the vapor stream on a heated substrate, according to the invention preliminarily pressed the head from a mixture of metals (alloys) and oxides having different vapor pressure at the evaporation temperature, anneal it in vacuum and placed on the end face of the ceramic ingot, followed by sequential electron beam evaporation of the staff and the ceramic ingot.
По второму варианту в способе получения на подложке защитного покрытия с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем, включающем электронно-лучевое испарение материала, помещенного в водоохлаждаемый тигель, и конденсацию парового потока на нагретой подложке в вакууме, согласно изобретению в качестве испаряемого материала используют штабик, предварительно спрессованный из смеси металлов и оксидов, имеющих различную упругость пара при температуре испарения и отожженный в вакууме. According to a second embodiment, in a method for producing a protective coating on a substrate with a gradient of chemical composition and thickness structure with an external ceramic layer comprising electron beam evaporation of a material placed in a water-cooled crucible and condensation of a vapor stream on a heated substrate in vacuum, according to the invention, as vaporized The material used is a beam pre-compressed from a mixture of metals and oxides having different vapor pressure at an evaporation temperature and annealed in vacuum.
Для осуществления конденсации при более низкой температуре подложки без ухудшения адгезии в качестве испаряемой смеси предпочтительно используют систему Al-A2O3-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 5-4
Al2O3 - 1-60
ZrO2 - Остальное
Для улучшения смачиваемости подложки конденсируемым материалом в качестве испаряемой смеси предпочтительно использовать систему Al-Si-Y-Al2O3-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 5-40
Si - 0,3-3
Al2O3 - 3-84
Y - 0-1,5
ZrO2 - Остальное
Для повышения надежности связующего покрытия в качестве испаряемой смеси предпочтительно использовать систему Al-Cr-Ni-Al2O3Y-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.% :
Al - 2 - 18,
Cr - 5 - 40,
Ni - 0 - 40,
Al2O3 - 2 - 58,
Y - 0 - 1,5,
ZrO2 - Остальное
Для увеличения коррозионной стойкости градиентного покрытия в качестве испаряемой смеси предпочтительно использовать систему Al-Cr-(Ni, Co)-Al2O3Y-Pt-ZrO2, при следующем соотношении компонентов мас.%:
Al - 4 - 12,
Cr - 10 - 25,
Ni - 25 - 45
Co - 25 - 45,
Al2O3 - 1 - 60,
Y - 0,5 - 2,5,
Pt - 0,5 - 2,5,
ZrO2 - Остальное
Предложенные выше системы покрытий являются каноническими в антикоррозионной защите изделий, работающих при высокой температуре в агрессивных газовых потоках.To effect condensation at a lower temperature of the substrate without deterioration of adhesion, the Al-A 2 O 3 -ZrO 2 system is preferably used as the vaporized mixture, in the following ratio, wt.%:
Al - 5-4
Al 2 O 3 - 1-60
ZrO 2 - Else
To improve the wettability of the substrate with a condensable material, it is preferable to use the Al-Si-Y-Al 2 O 3 -ZrO 2 system as the vaporized mixture, in the following ratio, wt.%:
Al - 5-40
Si - 0.3-3
Al 2 O 3 - 3-84
Y - 0-1.5
ZrO 2 - Else
To increase the reliability of the adhesive coating as an evaporated mixture, it is preferable to use the system Al-Cr-Ni-Al 2 O 3 Y-ZrO 2 , in the following ratio, wt.%:
Al - 2 - 18,
Cr - 5 - 40,
Ni - 0 - 40,
Al 2 O 3 - 2 - 58,
Y - 0 - 1.5,
ZrO 2 - Else
To increase the corrosion resistance of the gradient coating, it is preferable to use the Al-Cr- (Ni, Co) -Al 2 O 3 Y-Pt-ZrO 2 system as the vaporized mixture, with the following ratio of components wt.%:
Al - 4 - 12,
Cr - 10 - 25,
Ni - 25 - 45
Co - 25 - 45,
Al 2 O 3 - 1 - 60,
Y - 0.5 - 2.5,
Pt - 0.5 - 2.5,
ZrO 2 - Else
The coating systems proposed above are canonical in the corrosion protection of products operating at high temperatures in aggressive gas flows.
В системе Al-Al2O3ZrO2 преимущественное испарение алюминия в первый момент воздействия электронного луча на штабик позволило осуществить конденсацию при температуре на 30 - 50oC ниже обычной без ухудшения адгезии. Наличие алюминия во внутреннем слое градиентного покрытия компенсировало частичную диссоциацию Al2O3 в начальный момент при электронно-лучевом нагреве, что улучшило спекаемость тонкого оксидного слоя Al2O3, плавно переходящего через эвтектическую точку в слой диоксида циркония, обладающего высокой эрозионной стойкостью и теплоизолирующим эффектом даже в малых (3-5 мкм) толщинах. Тонкий слой диоксида циркония характеризуется мелкозернистой структурой и высокой вязкостью разрушения и имеет устойчивую химическую связь с Al2O3 в твердом состоянии.In the Al-Al 2 O 3 ZrO 2 system, the predominant evaporation of aluminum at the first moment of exposure of the electron beam to the beam made it possible to carry out condensation at a temperature of 30 - 50 o C below normal without deterioration of adhesion. The presence of aluminum in the inner layer of the gradient coating compensated for the partial dissociation of Al 2 O 3 at the initial moment during electron-beam heating, which improved the sintering ability of a thin oxide layer of Al 2 O 3 , smoothly passing through the eutectic point to a zirconia layer with high erosion resistance and heat insulating effect even in small (3-5 microns) thicknesses. A thin layer of zirconia is characterized by a fine-grained structure and high fracture toughness and has a stable chemical bond with Al 2 O 3 in the solid state.
При использовании системы Al-Si-Y-Al2O3-ZrO2 малые добавки (1-3%) кремния в первую очередь улучшают смачиваемость подложки конденсируемым материалом, что увеличило адгезию покрытия на жаропрочных никелевых сплавах. В указанных количествах кремний повышает сопротивление газовой коррозии диффузионной зоны подложка-градиентное покрытие, а в комплексе с оксидом Al2O3 обеспечило двух- трехкратное увеличение долговечности градиентного конденсированного покрытия в условиях теплосмен при максимальной температуре окружающей среды (газового потока) 1100-1150oC.When using the Al-Si-Y-Al 2 O 3 -ZrO 2 system, small additions (1-3%) of silicon primarily improve the wettability of the substrate with a condensable material, which increased the adhesion of the coating on high-temperature nickel alloys. In these amounts, silicon increases the resistance to gas corrosion of the diffusion zone by the substrate-gradient coating, and in combination with Al 2 O 3 oxide, it provides a two-three-fold increase in the durability of the gradient condensed coating under heat-exchange conditions at a maximum ambient temperature (gas stream) of 1100-1150 o C .
Однако диффузия кремния в защищаемые подложки из суперсплавов может снизить сопротивление ползучести материала диффузионной зоны подложка-покрытие, поэтому для стабильной эксплуатации при высокой температуре предложена другая композиция: Al-Cr-Ni-Y-Al2O3-ZrO2, которая обладает исключительно высокой надежностью при использовании в качестве связующего слоя в конструкции теплозащитных покрытий, когда внешний керамический слой переходит в термобарьерный, получаемый последовательным испарением штабика и керамического слитка из частично стабилизированного диоксида циркония стандартного химического состава ZrO2-(7-8)%Y2O3.However, the diffusion of silicon into protected substrates from superalloys can reduce the creep resistance of the substrate-coating diffusion zone material; therefore, another composition is proposed for stable operation at high temperature: Al-Cr-Ni-Y-Al 2 O 3 -ZrO 2 , which has an extremely high reliability when used as a bonding layer in the construction of heat-protective coatings, when the outer ceramic layer passes into a thermal barrier, obtained by sequential evaporation of the staff and the ceramic ingot from partially bilizirovannogo zirconia standard chemical composition ZrO 2 - (7-8)% Y 2 O 3.
Существенное увеличение коррозионной стойкости градиентного покрытия достигнуто путем дополнительного введения в испаряемую смесь 0,5 - 2,5% платины (система Al-(Ni, Co)-Cr-Al2O3-Y-Pt-ZrO2), особенно в средах, содержащих хлорид и сульфат натрия. Добавка платины в 1,5-2 раза повысила сопротивление солевой коррозии градиентных покрытий, стабилизируя защитные функции керамического слоя Al2O3-ZrO2 и ограничивая диффузионную подвижность отдельных компонентов в градиентной структуре конденсированного защитного покрытия, полученного испарением непосредственно из штабика.A significant increase in the corrosion resistance of the gradient coating is achieved by the additional introduction of 0.5 - 2.5% platinum (Al- (Ni, Co) -Cr-Al 2 O 3 -Y-Pt-ZrO 2 system ) into the vaporized mixture, especially in media containing chloride and sodium sulfate. The addition of platinum 1.5-2 times increased the resistance to salt corrosion of gradient coatings, stabilizing the protective functions of the ceramic layer Al 2 O 3 -ZrO 2 and limiting the diffusion mobility of individual components in the gradient structure of the condensed protective coating obtained by evaporation directly from the staff.
Испарение в вакууме заданного количества или конечной навески жаростойких материалов с различной упругостью пара из одного источника является наиболее приемлемым способом получения покрытий с градиентной структурой, в частности получения теплозащитных покрытий с внешним керамическим слоем. Evaporation in vacuum of a given amount or final portion of heat-resistant materials with different vapor elasticities from one source is the most acceptable way to obtain coatings with a gradient structure, in particular, to obtain heat-protective coatings with an external ceramic layer.
Плавный градиент химического состава и структуры защитного слоя по толщине обеспечивает лучшее согласование теплофизических характеристик (термического коэффициента линейного расширения, модуля Юнга и др.) структурных составляющих жаростойкого (коррозионностойкого) или теплозащитного покрытия из стабилизированного диоксида циркония. Это позволило получить высокую коррозионную и термоциклическую долговечность деталей из жаропрочного сплавав с градиентным защитным покрытием. A smooth gradient of the chemical composition and structure of the protective layer in thickness ensures better coordination of the thermophysical characteristics (thermal coefficient of linear expansion, Young's modulus, etc.) of the structural components of a heat-resistant (corrosion-resistant) or heat-protective coating of stabilized zirconia. This made it possible to obtain high corrosion and thermocyclic durability of parts made of heat-resistant alloy with a gradient protective coating.
При испарении одного только штабика из отдельного источника (тигля) тонкое ( δ ≈ 5-8 мкм) градиентное защитное покрытие с внешним слоем диоксида циркония характеризуется высокой плотностью, надежным сцеплением с защищаемой поверхностью и сопротивлением абразивному износу, низкой шероховатостью (Ra < 0,5 мкм) поверхности керамического слоя.Upon evaporation of a bobbin alone from a separate source (crucible), a thin (δ ≈ 5-8 μm) gradient protective coating with an external layer of zirconia is characterized by high density, reliable adhesion to the surface to be protected and resistance to abrasive wear, and low roughness (R a <0, 5 μm) of the surface of the ceramic layer.
Краткий перечень чертежей
Техническая сущность и принцип действия изобретения поясняется на примерах выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.Brief List of Drawings
The technical nature and principle of operation of the invention is illustrated by examples with reference to the accompanying drawings.
Фиг. 1 представляет кривые распределения отдельных компонентов по толщине конденсированного защитного покрытия с градиентным составом и структурой полученного непосредственным испарением спеченного штабика, выполненного из смеси компонентов 13%Al-7%Al2O3-80%(ZrO2-7%Y2O3) - пример 1; фиг. 2 - то же самое для исходного покрытия с градиентным составом и структурой полученного испарением спеченного штабика, компоненты которого выбраны в соотношении: 13%Al-1%Si-7%Al2O3-79%(ZrO2-7%Y2O3) - пример 2; фиг. 3 - то же самое для исходного покрытия с градиентным составом и структурой полученного испарением спеченного штабика, компоненты которого выбраны в соотношении: 8%-Al-25%Cr-33%Ni-3%Al2O3-1%Y-30%(ZrO2 -7%Y2O3) - пример 3; фиг. 4 - то же самое для исходного покрытия с градиентным составом и структурой полученного испарением спеченного штабика, компоненты которого выбраны в соотношении: 8%Al-40%Co-15%Cr-2,5%Al2O3-0,8%Y-1,7%Pt-32%(ZrO2 -7%Y2O3) - пример 4; фиг. 5 изображает термоциклическую долговечность защитных покрытий с градиентом химического состава и структуры по толщине, имеющих внешний керамический слой, полученный последовательным испарением штабиков и керамического слитка из частично стабилизированного диоксида циркония ZrO2-7%Y2O3, на торце которого устанавливались штабики различного химического состава (примеры 1, 2, 3), причем испарение осуществляли из одного тигля.FIG. 1 shows the distribution curves of individual components over the thickness of a condensed protective coating with a gradient composition and structure obtained by direct evaporation of a sintered bead made from a mixture of components 13% Al-7% Al 2 O 3 -80% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) - example 1; FIG. 2 - the same for the initial coating with a gradient composition and structure obtained by evaporation of the sintered bead, the components of which are selected in the ratio: 13% Al-1% Si-7% Al 2 O 3 -79% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) - example 2; FIG. 3 - the same for the initial coating with a gradient composition and structure obtained by evaporation of the sintered bead, the components of which are selected in the ratio: 8% -Al-25% Cr-33% Ni-3% Al 2 O 3 -1% Y-30% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) - example 3; FIG. 4 - the same for the initial coating with a gradient composition and structure obtained by evaporation of the sintered bead, the components of which are selected in the ratio: 8% Al-40% Co-15% Cr-2.5% Al 2 O 3 -0.8% Y -1.7% Pt-32% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) - example 4; FIG. 5 depicts the thermocyclic durability of protective coatings with a gradient of chemical composition and thickness structure, having an external ceramic layer obtained by sequential evaporation of piles and a ceramic ingot of partially stabilized zirconia ZrO 2 -7% Y 2 O 3 , on the end of which piles of various chemical composition were installed (examples 1, 2, 3), and the evaporation was carried out from one crucible.
Подробное описание изобретения
Используя эффект фракционирования смеси компонентов определенного состава в процессе ее электронно-лучевого нагрева в единичном испарителе (тигле), получали конденсированные покрытия, имеющие переменный по толщине химический состав и структуру. Начальные слои покрытия, примыкающие к подложке, обогащены более легколетучим компонентом, в рассматриваемом случае жаростойких и теплозащитных покрытий - алюминием и хромом. Во внешних слоях покрытий такого типа преобладают компоненты с более низким давлением пара, более высокой температурой плавления, например кремний, оксиды алюминия, церия, иттрия и пластина.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Using the effect of fractionation of a mixture of components of a certain composition in the process of its electron-beam heating in a single evaporator (crucible), condensed coatings having a variable chemical composition and structure in thickness were obtained. The initial coating layers adjacent to the substrate are enriched with a more volatile component, in the case under consideration heat-resistant and heat-protective coatings - aluminum and chromium. In the outer layers of coatings of this type, components with a lower vapor pressure and a higher melting point, for example silicon, aluminum oxides, cerium, yttrium, and a plate, predominate.
На заключительной стадии осуществления преимущественное испарение и конденсация веществ с максимально высокой температурой плавления: оксида иттрия, диоксида циркония. Поскольку в качестве диоксида циркония используется стабилизированный на молекулярном уровне порошок ZrO2-7%Y2O3, в этом случае имеет место испарение и осаждение парового потока керамики ZrO2-Y2O3 исходного состава.At the final stage of implementation, the predominant evaporation and condensation of substances with the highest melting point: yttrium oxide, zirconium dioxide. Since ZrO 2 -7% Y 2 O 3 powder is used at the molecular level as zirconia dioxide, in this case, vaporization and vapor deposition of the ZrO 2 -Y 2 O 3 ceramics of the initial composition take place.
Массу компонентов испаряемой смеси, спрессованной в штабик, выбирают, исходя из необходимой толщины покрытия. Штабик предварительно спекают и обезгаживают в вакууме. The mass of components of the evaporated mixture, pressed into a staff, is selected based on the required coating thickness. Stabik is pre-sintered and degassed in a vacuum.
Последние порции оксида, в частности диоксида циркония, конденсирующиеся на защищаемой поверхности, могут непрерывно, без резкого градиента состава и структуры переходить (трансформироваться) в керамический теплозащитный слой толщиной до 250 мкм (1350-150 мкм) при условии, что исправляемый штабик располагается на торце керамического слитка из стабилизированного диоксида циркония, помещенного в водоохлаждаемый тигель. Испарение керамического слитка начинается одновременно с завершением испарения штабика. The last portions of oxide, in particular zirconium dioxide, condensing on the surface to be protected, can continuously (without a sharp gradient in composition and structure) transfer (transform) into a ceramic heat-insulating layer with a thickness of up to 250 μm (1350-150 μm), provided that the fixed staff is located at the end a ceramic ingot of stabilized zirconia placed in a water-cooled crucible. The evaporation of the ceramic ingot begins simultaneously with the completion of the evaporation of the billet.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется экспериментальными данными, демонстрирующими образование покрытий с градиентом химического состава и структурой по толщине при испарении спрессованных и спеченных порошков металлов, жаростойких сплавов и оксидов. Градиентные покрытия толщиной 6-8 мкм получали на стационарных подложках испарением и конденсацией таблеток массой 6-15 г, а покрытия такой же толщины с внешним керамическим слоем толщиной 135-150 мкм - на вращающихся подложках испарением штабиков массой 30-45 г и стандартного керамического слитка ZrO2-7%Y2O3 (исходная плотность 4±0,4 г/см3) для проведения последующих термоциклических испытаний пальчиковых образцов.The essence of the invention is illustrated by experimental data demonstrating the formation of coatings with a gradient of chemical composition and structure by thickness during the evaporation of pressed and sintered metal powders, heat-resistant alloys and oxides. Gradient coatings with a thickness of 6–8 μm were obtained on stationary substrates by evaporation and condensation of tablets weighing 6–15 g, and coatings of the same thickness with an external ceramic layer 135–150 μm thick were obtained on rotating substrates by evaporation of beads weighing 30–45 g and a standard ceramic ingot ZrO 2 -7% Y 2 O 3 (
Для получения жаростойких градиентных покрытий паровую фазу осаждали на подложки из никелевого сплава ЭП-99 (см. таблицу 1). Подложки использовались либо без какого-либо промежуточного покрытия, либо с жаростойким покрытием Ni-11Co-18Cr-11Al-(Y). Температура подложек составляла 850 - 900oC.To obtain heat-resistant gradient coatings, the vapor phase was deposited on substrates of the EP-99 nickel alloy (see table 1). The substrates were used either without any intermediate coating or with a heat-resistant coating of Ni-11Co-18Cr-11Al- (Y). The temperature of the substrates was 850 - 900 o C.
При нанесении покрытий на вращаемые в паровом потоке подложки согласно заявляемому способу к качеству подготовки поверхности этих подложек предъявляются определенные требования. Шероховатость Ra не должна превышать 0,6 мкм, более предпочтительно - 0,25 - 0,3 мкм, что достигается обработкой поверхности стандартными шлифовальными бумагами с абразивом N 320, N 500 или полировальными шайбами.When applying coatings to substrates rotating in a steam stream according to the claimed method, certain requirements are imposed on the quality of surface preparation of these substrates. The roughness R a should not exceed 0.6 μm, more preferably 0.25 - 0.3 μm, which is achieved by surface treatment with standard grinding papers with abrasive N 320, N 500 or polishing washers.
Термоциклическую долговечность теплозащитных покрытий с градиентным составом и структурой, полученных с испарением из одного источника, оценивали путем испытания пальчиковых образцов из жаропрочных сплавов (ЖС) ЭП-958 и Хастеллой-Х (см. таблицу 1) на воздухе при максимальной температуре 1135oC , время окисления в одном цикле составило 24 часа. Образцы, изъятые из печи, охлаждали интенсивным потоком воздуха со скоростью охлаждения около 185 град/мин до комнатной температуры (в течение 6 - 10 мин). Фиксировалось время (число теплосмен) до начала разрушения внешнего керамического слоя, которое соответствовало появлению коррозионного пятна или разветвленной микротрещины, видимой невооруженным глазом, или отслоения керамики с 10% рабочей поверхности образцов.The thermal cyclic durability of heat-resistant coatings with a gradient composition and structure obtained by evaporation from a single source was evaluated by testing finger samples from heat-resistant alloys (ZhS) EP-958 and Hastelloy-X (see table 1) in air at a maximum temperature of 1135 o C, the oxidation time in one cycle was 24 hours. Samples taken from the furnace were cooled with an intense air stream with a cooling rate of about 185 deg / min to room temperature (within 6-10 minutes). The time (the number of heat exchanges) was fixed before the destruction of the outer ceramic layer, which corresponded to the appearance of a corrosion spot or a branched microcrack visible to the naked eye, or ceramic detachment from 10% of the working surface of the samples.
Характер градиентного распределения компонентов по толщине определяет надежность и долговечность покрытий: полученные высокие функциональные характеристики покрытий являются важным показателем эффективности заявляемого способа. The nature of the gradient distribution of the components over the thickness determines the reliability and durability of the coatings: the obtained high functional characteristics of the coatings are an important indicator of the effectiveness of the proposed method.
Пример 1: система Al-Al2O3-ZrO2.Example 1: Al-Al 2 O 3 —ZrO 2 system .
Смесь трех компонентов, 13% Al-7%Al2O3-80%(ZrO2-7%Y2O3) в виде штабиков весом 6 г и 28 г, помещенных соответственно в медный водоохлаждаемый тигель и на верхний торец керамического слитка ( ⌀ 70 мм) из частично стабилизированного диоксида циркония ZrO2-7%Y2O3, также установленного в водоохлаждаемый тигель, испаряли прямым воздействием электронного луча. Конденсацию осуществляли в первом случае (штабик 6 г) на плоскую стационарную подложку из сплава ЭП-99. В первом случае (штабик 28 г) паровой поток осаждали на вращающиеся пальчиковые образцы ( ⌀ 8 мм) из сплава Хастелла-Х. С помощью рентгеноспектрального микроанализатора CAMEBAX было установлено характерное градиентное распределение компонентов по толщине осажденного покрытия (фиг. 1). На представленных концентрациях кривых распределения компонентов наблюдается плавный переход от алюминия к оксиду алюминия и к диоксиду циркония. Металлографическое исследование микроструктуры покрытия в поперечном сечении с помощью сканирующего электронного микроскопа CAMSCAN, как и следовало ожидать, не выявило осуществления плоских границ раздела между Al2O3 и ZrO2•Y2O3.A mixture of three components, 13% Al-7% Al 2 O 3 -80% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) in the form of sticks weighing 6 g and 28 g, placed respectively in a copper water-cooled crucible and on the upper end of a ceramic ingot (⌀ 70 mm) from partially stabilized zirconia ZrO 2 -7% Y 2 O 3 , also installed in a water-cooled crucible, was evaporated by direct exposure to an electron beam. Condensation was carried out in the first case (6 g bead) on a flat stationary substrate of EP-99 alloy. In the first case (28 g stock), the vapor stream was deposited onto rotating finger samples (⌀ 8 mm) from Hastella-X alloy. Using a CAMEBAX X-ray microanalyzer, a characteristic gradient distribution of the components over the thickness of the deposited coating was established (Fig. 1). At the presented concentrations of the distribution curves of the components, a smooth transition from aluminum to alumina and zirconia is observed. A metallographic study of the microstructure of the coating in cross section using a CAMSCAN scanning electron microscope, as expected, did not reveal the implementation of flat interfaces between Al 2 O 3 and ZrO 2 • Y 2 O 3 .
Во втором варианте осаждения покрытий (на пальчиковые образцы) при непрерывном испарении штабика, а затем керамического слитка также не обнаружено границы раздела в зоне, соответствующей завершению испарения штабика и началу непосредственного испарения керамического слитка ZrO2-7%Y2O3. Общая толщина термобарьерного слоя составила 135-150 мкм (в двух различных опытах).In the second variant of coating deposition (on finger samples) during continuous evaporation of the bead and then the ceramic ingot, no interface was found in the zone corresponding to the completion of the bead evaporation and the beginning of the direct evaporation of the ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ceramic ingot. The total thickness of the thermal barrier layer was 135-150 μm (in two different experiments).
Пальчиковые образцы с градиентным покрытием, включающим внешний керамический слой, прошли испытания на термоциклическую долговечность по режиму 1135oC ←→ 50oC (фиг. 5).Finger samples with a gradient coating, including an external ceramic layer, were tested for thermocyclic durability according to the regime of 1135 o C ← → 50 o C (Fig. 5).
Градиентное покрытие Al-Al2O3-ZrO2 успешно было реализовано и при снижении содержания диоксида циркония до нулевых значений (см. табл. 2). Покрытия системы Al-Al2O3-ZrO2 могут быть эффективно использованы для защиты титановых сплавов, например ВТ-6С.The gradient coating Al-Al 2 O 3 -ZrO 2 was also successfully implemented with a decrease in the content of zirconium dioxide to zero values (see Table 2). Coatings of the Al-Al 2 O 3 -ZrO 2 system can be effectively used to protect titanium alloys, for example VT-6C.
Пример 2: система: Al-Si-Al2O3-Y-ZrO2.Example 2: system: Al-Si-Al 2 O 3 -Y-ZrO 2 .
Кремний в количестве 1-3% существенно увеличивает сопротивление газовой коррозии в покрытиях, применяемых для защиты лопаток турбин, использующих загрязненное топливо. Смесь четырех компонентов, 13%-Al-1%Si-7%Al2O3-79%(ZrO2-7%Y2O3) так же, как и в примере 1, в виде штабиков массой 6 г и 30 г испарителя в последовательности, аналогичной примеру 1. Полученное распределение компонентов по толщине осажденного покрытия показано на фиг. 2 (в данном случае градиентные покрытия осаждали на подложку, имевшую связующее покрытие Ni-22Co-20Cr-11Al(Y)). Кремний испаряется из штабика вслед за металлическим алюминием практически одновременно с Al2O3.Silicon in an amount of 1-3% significantly increases the resistance to gas corrosion in coatings used to protect turbine blades using contaminated fuel. A mixture of four components, 13% -Al-1% Si-7% Al 2 O 3 -79% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) is the same as in example 1, in the form of racks weighing 6 g and 30 g of the evaporator in the sequence analogous to example 1. The obtained distribution of the components over the thickness of the deposited coating is shown in FIG. 2 (in this case, gradient coatings were deposited on a substrate having a Ni-22Co-20Cr-11Al (Y) adhesive coating). Silicon evaporates from the staff following metallic aluminum almost simultaneously with Al 2 O 3 .
В результате испарения штабика, помещенного на керамический слиток ZrO2-7%Y2O3 в градиентном покрытии, не было обнаружено промежуточных границ раздела и внешний термобарьерный слой толщиной до 125-130 мкм формировался непосредственно вслед за испарением диоксида циркония из штабика.As a result of evaporation of the billet placed on the ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ceramic ingot in the gradient coating, no intermediate interfaces were found and an external thermal barrier layer with a thickness of up to 125-130 μm was formed directly after the evaporation of zirconia from the billet.
В данном варианте градиентного покрытия вместо оксида алюминия может использоваться оксид церия. In this embodiment of the gradient coating, cerium oxide may be used instead of alumina.
Пример 3: система: Al-Cr-Ni-Al2O3-Y-ZrO2.Example 3: system: Al — Cr — Ni — Al 2 O 3 —Y — ZrO 2 .
Смесь компонентов, содержащая 8%-Al-25%Cr-33%Ni-3%-Al2O3-1%Y-30%(ZrO2-7%Y2O3) в виде штабиков весом 15 г и 45 г испаряли прямым воздействием электронного луча аналогично вышеописанным случаям и конденсировали на стационарные подложки.A mixture of components containing 8% -Al-25% Cr-33% Ni-3% -Al 2 O 3 -1% Y-30% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) in the form of racks weighing 15 g and 45 d was evaporated by direct exposure to an electron beam, similarly to the cases described above, and condensed onto stationary substrates.
Распределение компонентов по толщине градиентного покрытия, полученного испарением штабика и слитка ZrO2 - 7%Y2 O3, приведено на фиг. 3. Наблюдается характерный пик, соответствующий оксиду алюминия с плавным переходом в диоксид циркония. Концентрированный максимум по иттрию приходится на ветвь кривой нарастания концентрации диоксида циркония во внешнем слое градиентного покрытия. Данные фиг. 3 подтверждают отсутствие резких границ раздела между отдельными зонами покрытия по толщине.The distribution of the components over the thickness of the gradient coating obtained by evaporation of the bead and ZrO 2 - 7% Y 2 O 3 ingot is shown in FIG. 3. A characteristic peak is observed corresponding to alumina with a smooth transition to zirconium dioxide. The concentrated yttrium maximum falls on the branch of the curve of increasing concentration of zirconium dioxide in the outer layer of the gradient coating. The data of FIG. 3 confirm the absence of sharp interfaces between the individual coating zones in thickness.
Данные термоциклических испытаний пальчиковых образцов (фиг. 5) подтвердили возможность практического применения такой системы покрытий. В случае испарения штабика и керамического слитка ZrO2 - 7%Y2O3 из одного источника, когда штабик размещался на торце слитка в одном испарителе, отслоения керамического термобарьерного слоя в общепринятом виде не было получено. Очаги коррозионного повреждения ( ⌀ 2-3 мм) возникали в керамическом терсмобарьерном покрытии после 1070 часов испытаний.The data of thermocyclic tests of finger samples (Fig. 5) confirmed the possibility of practical application of such a coating system. In the case of evaporation of the head and ZrO 2 ceramic ingot - 7% Y 2 O 3 from one source, when the head was placed on the end of the ingot in one evaporator, the delamination of the ceramic thermal barrier layer in the conventional form was not obtained. Foci of corrosion damage (⌀ 2-3 mm) occurred in the ceramic thermal barrier coating after 1070 hours of testing.
Локализованная, медленно протекающая коррозия градиентного покрытия под керамическим слоем с суммарным повреждением площади не более 5-6% получена на поверхности пальчиковых образцов после ~1800 часов испытаний (после чего испытания были прекращены). Localized, slowly proceeding corrosion of the gradient coating under the ceramic layer with a total area damage of not more than 5-6% was obtained on the surface of finger samples after ~ 1800 hours of testing (after which the tests were stopped).
Долговечность конденсированных термобарьерных керамических покрытий ZrO2 - Y2O3 на градиентных покрытиях, полученных по заявляемому способу из одного источника, в два-три раза превышает долговечность двухслойных керамических покрытий металл/керамика, получаемых по стандартной промышленной технологии.The durability of condensed thermal barrier ceramic coatings ZrO 2 - Y 2 O 3 on gradient coatings obtained by the present method from a single source is two to three times higher than the durability of two-layer metal / ceramic ceramic coatings obtained by standard industrial technology.
Пример 4: cистема: Al-(Ni,Co)-Cr-Al2O3-Y-Pt-ZrO2/
Платина вводилась в смесь (штабик) испаряемых материалов как компонент, повышающий жаростойкость защитных покрытий. Штабики массой 15 г испаряли из медного водоохлаждаемого тигля на стационарную подложку. Смесь исходных компонентов содержала: 8%Al-40%Co-15%Cr-2,5%Al2O3-0,8%Y-1,7%Pt-32%(ZrO2-7%Y2O3). Кривые распределения отдельных элементов в градиентном покрытии, содержащем платину, полученные с помощью рентгеноспектрального микроанализа и приведенные на фиг. 4, демонстрируют наличие платины в слое, примыкающем к внешнему слою ZrO2. Покрытия подобного типа можно рекомендовать для защиты поверхностей в окислительных и эрозионно-активных газовых потоках. Осаждение толстого керамического слоя ZrO2 превращает эти покрытия в теплозащитные.Example 4: system: Al- (Ni, Co) -Cr-Al 2 O 3 -Y-Pt-ZrO 2 /
Platinum was introduced into the mixture (staff) of evaporated materials as a component that increases the heat resistance of protective coatings. Stackes weighing 15 g were evaporated from a water-cooled copper crucible onto a stationary substrate. The mixture of the starting components contained: 8% Al-40% Co-15% Cr-2.5% Al 2 O 3 -0.8% Y-1.7% Pt-32% (ZrO 2 -7% Y 2 O 3 ) Distribution curves of individual elements in a platinum-containing gradient coating, obtained by X-ray microanalysis and shown in FIG. 4 show the presence of platinum in a layer adjacent to the outer ZrO 2 layer. Coatings of this type can be recommended for surface protection in oxidative and erosion-active gas flows. The deposition of a thick ceramic layer of ZrO 2 turns these coatings into heat-shielding.
Промышленная применимость
Наибольший эффект применения способа согласно изобретению выражен при получении защитных покрытий с плавным градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем на подложке, когда требуется высокое качество и надежность формирования термобарьерных защитных покрытий с повышенным сопротивлением коррозии в условиях частых теплосмен.Industrial applicability
The greatest effect of applying the method according to the invention is expressed when obtaining protective coatings with a smooth gradient of chemical composition and thickness structure with an external ceramic layer on the substrate, when high quality and reliability of the formation of thermal barrier protective coatings with increased corrosion resistance under conditions of frequent heat exchange are required.
Claims (3)
Al - 5 - 40
Al2O3 - 1 - 60
ZrO2 - Остальное
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что штабик прессуют из смеси, содержащей Al-Si-Y-Al2O3-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 5 - 40
Si - 0,3 - 3
Y - До 1,5
Al2O3 - 3 - 84
ZrO2 - Остальное
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что штабик прессуют из смеси, содержащей Al-Cr-Ni-Al2O3-Y-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 2 - 18
Cr - 5 - 40
Ni - До 40
Al2O3 - 2 - 58
Y - До 1,5
ZrO2 - Остальное
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что штабик прессуют из смеси, содержащей Al-Cr-(Ni, Co) -Al2O3-Y-Pt-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 4 - 12
Cr - 10 - 25
Ni, Co - 25 - 45
Al2O3 - 1 - 60
Y - 0,5 - 2,5
Pt - 0,5 - 2,5
ZrO2 - Остальное
6. Способ получения на подложке защитного покрытия с градиентом химического состава и структуры по толщине с внешним керамическим слоем, включающий электронно-лучевое испарение материала, помещенного в водоохлаждаемый тигель, и конденсацию парового потока на нагретой подложке в вакууме, отличающийся тем, что в качестве испаряемого материала используют штабик, предварительно спрессованный из смеси металлов и оксидов, имеющих различную упругость пара при температуре испарения, и отоженный в вакууме.2. The method according to p. 1, characterized in that the head is pressed from a mixture containing Al-Al 2 O 3 - ZrO 2 , in the following ratio, wt.%:
Al - 5 - 40
Al 2 O 3 - 1 - 60
ZrO 2 - Else
3. The method according to p. 1, characterized in that the staff is pressed from a mixture containing Al-Si-Y-Al 2 O 3 -ZrO 2 in the following ratio, wt.%:
Al - 5 - 40
Si - 0.3 - 3
Y - Up to 1.5
Al 2 O 3 - 3 - 84
ZrO 2 - Else
4. The method according to p. 1, characterized in that the head is pressed from a mixture containing Al-Cr-Ni-Al 2 O 3 -Y-ZrO 2 , in the following ratio, wt.%:
Al - 2 - 18
Cr - 5 - 40
Ni - Up to 40
Al 2 O 3 - 2 - 58
Y - Up to 1.5
ZrO 2 - Else
5. The method according to p. 1, characterized in that the head is pressed from a mixture containing Al-Cr- (Ni, Co) -Al 2 O 3 -Y-Pt-ZrO 2 , in the following ratio, wt.%:
Al - 4 - 12
Cr - 10 - 25
Ni, Co - 25 - 45
Al 2 O 3 - 1 - 60
Y - 0.5 - 2.5
Pt - 0.5 - 2.5
ZrO 2 - Else
6. A method of producing a protective coating on a substrate with a gradient of chemical composition and thickness structure with an external ceramic layer, comprising electron beam evaporation of a material placed in a water-cooled crucible and condensation of a vapor stream on a heated substrate in a vacuum, characterized in that as evaporated The material used is a staff pre-compressed from a mixture of metals and oxides having different vapor elasticities at the evaporation temperature, and annealed in vacuum.
Al - 5 - 40
Al2O3 - 1-60
ZrO2 - Остальное
8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что штабик прессуют из смеси, содержащей Al-Si-Y-Al2O3-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 5 - 40
Si - 0,3 - 3
Y - До 1,5
Al2O3 - 3 - 84
ZrO2 - Остальное
9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что штабик прессуют из смеси, содержащей Al-Cr-Ni-Al2O3-Y-ZrO2, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 2 - 18
Cr - 5 - 40
Ni - До 40
Al2O3 - 2 - 58
Y - До 1,5
ZrO2 - Остальное
10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что штабик прессуют из смеси, содержащей Al-Cr-(Ni, Co)-Al2O3-Y-Pt-ZrO2, при следующ6м соотношении компонентов, мас.%:
Al - 4 - 12
Cr - 10 - 25
Ni, Co - 25 - 45
Al2O3 - 1 - 60
Y - 0,5 - 2,5
Pt - 0,5 - 2,5
ZrO2 - Остальное7. The method according to p. 6, characterized in that the staff is pressed from a mixture containing Al-Al 2 O 3 -ZrO 2 in the following ratio, wt.%:
Al - 5 - 40
Al 2 O 3 - 1-60
ZrO 2 - Else
8. The method according to p. 6, characterized in that the staff is pressed from a mixture containing Al-Si-Y-Al 2 O 3 -ZrO 2 in the following ratio, wt.%:
Al - 5 - 40
Si - 0.3 - 3
Y - Up to 1.5
Al 2 O 3 - 3 - 84
ZrO 2 - Else
9. The method according to p. 6, characterized in that the head is pressed from a mixture containing Al-Cr-Ni-Al 2 O 3 -Y-ZrO 2 , in the following ratio, wt.%:
Al - 2 - 18
Cr - 5 - 40
Ni - Up to 40
Al 2 O 3 - 2 - 58
Y - Up to 1.5
ZrO 2 - Else
10. The method according to p. 6, characterized in that the staff is pressed from a mixture containing Al-Cr- (Ni, Co) -Al 2 O 3 -Y-Pt-ZrO 2 , in the following ratio of components, wt.%:
Al - 4 - 12
Cr - 10 - 25
Ni, Co - 25 - 45
Al 2 O 3 - 1 - 60
Y - 0.5 - 2.5
Pt - 0.5 - 2.5
ZrO 2 - Else
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97109250A RU2120494C1 (en) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | Method of applying protective coatings with chemical composition and structure gradient along its thickness with outside ceramic layer (version) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97109250A RU2120494C1 (en) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | Method of applying protective coatings with chemical composition and structure gradient along its thickness with outside ceramic layer (version) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2120494C1 true RU2120494C1 (en) | 1998-10-20 |
RU97109250A RU97109250A (en) | 1999-02-27 |
Family
ID=20193727
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97109250A RU2120494C1 (en) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | Method of applying protective coatings with chemical composition and structure gradient along its thickness with outside ceramic layer (version) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2120494C1 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2486995C2 (en) * | 2011-10-03 | 2013-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of making composite cathode |
RU2496911C2 (en) * | 2011-12-13 | 2013-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of applying heat coating of nickel or cobalt alloy on gas turbine parts |
RU2499078C1 (en) * | 2012-07-17 | 2013-11-20 | Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") | Production method of erosion-resistant heat-protective coatings |
RU2588619C2 (en) * | 2014-03-06 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Nanostructured composite coating of zirconium oxide |
RU2606814C2 (en) * | 2014-03-06 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Heat-protective nanocomposite coating and formation method thereof |
RU2614320C2 (en) * | 2014-11-11 | 2017-03-24 | Евгений Викторович Васильев | Heat resistant metal-ceramic coating and method of its application |
RU2701801C2 (en) * | 2013-11-03 | 2019-10-01 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон | Oxidation barrier layer |
RU2714345C1 (en) * | 2019-06-21 | 2020-02-14 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Method of producing a gradient nanocomposite heat-shielding coating |
-
1997
- 1997-06-17 RU RU97109250A patent/RU2120494C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2486995C2 (en) * | 2011-10-03 | 2013-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of making composite cathode |
RU2496911C2 (en) * | 2011-12-13 | 2013-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of applying heat coating of nickel or cobalt alloy on gas turbine parts |
RU2499078C1 (en) * | 2012-07-17 | 2013-11-20 | Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") | Production method of erosion-resistant heat-protective coatings |
RU2701801C2 (en) * | 2013-11-03 | 2019-10-01 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон | Oxidation barrier layer |
RU2588619C2 (en) * | 2014-03-06 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Nanostructured composite coating of zirconium oxide |
RU2606814C2 (en) * | 2014-03-06 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Heat-protective nanocomposite coating and formation method thereof |
RU2614320C2 (en) * | 2014-11-11 | 2017-03-24 | Евгений Викторович Васильев | Heat resistant metal-ceramic coating and method of its application |
RU2714345C1 (en) * | 2019-06-21 | 2020-02-14 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Method of producing a gradient nanocomposite heat-shielding coating |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5834070A (en) | Method of producing protective coatings with chemical composition and structure gradient across the thickness | |
US6720038B2 (en) | Method of forming a coating resistant to deposits and coating formed thereby | |
US5512382A (en) | Porous thermal barrier coating | |
EP1272688B1 (en) | Lower conductivity thermal barrier coating | |
US6544665B2 (en) | Thermally-stabilized thermal barrier coating | |
EP1321542B1 (en) | Thermal barrier coating systems and materials | |
US5780110A (en) | Method for manufacturing thermal barrier coated articles | |
EP1591550B2 (en) | Thermal barrier coating having an interfacial layer for spallation life enhancement and low conductivity | |
EP0979881B1 (en) | Thermal barrier and overlay coating systems comprising composite metal/metal oxide bond coating layers | |
RU2228389C2 (en) | Method of thermal protection and metal article with ceramic coat (versions) | |
EP1088909B1 (en) | Thermal barrier coating system of a turbine component | |
EP1686199B1 (en) | Thermal barrier coating system | |
US6458473B1 (en) | Diffusion aluminide bond coat for a thermal barrier coating system and method therefor | |
US20070231589A1 (en) | Thermal barrier coatings and processes for applying same | |
WO1999018259A9 (en) | Thermal barrier coating with alumina bond inhibitor | |
US7041383B2 (en) | Durable thermal barrier coating having low thermal conductivity | |
RU2120494C1 (en) | Method of applying protective coatings with chemical composition and structure gradient along its thickness with outside ceramic layer (version) | |
EP1400607B1 (en) | Thermal barrier coating with improved strength and fracture toughness | |
KR101166150B1 (en) | Durable thermal barrier coating having low thermal conductivity | |
EP1099002B1 (en) | Composition for production of a protective gradient coating on a metal substrate by electron beam evaporation and condensation under vacuum | |
EP1073776A1 (en) | Method for electron beam applying leader free coating | |
UA52740C2 (en) | Material for obtaining thermal-protection coating with gradient of chemical composition and stucture by depth of transition area metal-ceramics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130618 |