RU2191218C2

RU2191218C2 - Method of obtaining protective coating on product manufactured from heat- resistant refractory alloy

Info

Publication number: RU2191218C2
Application number: RU2000127443A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Кузнецов; Э.К. Кондрашов; Ю.И. Головкин; Л.П. Егорова
Original assignee: Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-10-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering, aviation and heat engineering. SUBSTANCE: method involves preparing product surface to coating applying procedure; providing plasma spraying of coating of powder alloy comprising Ni-Cr-Al system; treating coating with continuous laser beam having average power density of 250-350 kW/sq. cm and average energy density of 0.8-1.3 kJ/sq. cm. Carbon dioxide laser, yttrium aluminum garnet laser etc may be used as laser beam source. Laser beam treatment may be performed in open air and does not require creating of special atmosphere. Method allows high-quality coatings to be provided for protecting parts of gas turbine engines and gas turbine units (nozzles, combustion chamber lines etc) from high- temperature oxidation and corrosion. EFFECT: increased adhesiveness and abrasion-resistance and, as a result, increased service life and enhanced reliability in operation of products provided with such coating. 3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении для защиты деталей ГТД и ГТУ (форсунок, жаровых труб и т.п.) от высокотемпературного окисления и коррозии. The invention relates to mechanical engineering and can be used in aviation and energy gas turbine engineering to protect gas turbine engine parts and gas turbine engine parts (nozzles, flame tubes, etc.) from high-temperature oxidation and corrosion.

Известен способ получения защитных покрытий системы Ni-Al путем лазерного оплавления нанесенного на алюминиевую подложку порошка никеля, смешанного с элементами, улучшающими смачиваемость (такими как В, Si или Ge). При этом смесью порошков заполняется выполненный в алюминиевой подложке паз, после чего производится лазерное оплавление. В результате на подложке образуется оплавленный слой, содержащий Ni и Аl, составляющий с подложкой единое целое и не поддающийся отслаиванию длительное время [1]. A known method for producing protective coatings of the Ni-Al system by laser fusion of nickel powder deposited on an aluminum substrate is mixed with wettability enhancing elements (such as B, Si or Ge). In this case, the groove made in the aluminum substrate is filled with a mixture of powders, after which laser fusion is performed. As a result, a melted layer is formed on the substrate, containing Ni and Al, which is integral with the substrate and cannot be peeled off for a long time [1].

Существенным недостатком этого способа является необходимость применения алюминиевой подложки, что делает его неприемлемым для получения покрытий системы Ni-Al на поверхности жаростойкого жаропрочного сплава. A significant disadvantage of this method is the need to use an aluminum substrate, which makes it unacceptable for obtaining coatings of the Ni-Al system on the surface of a heat-resistant heat-resistant alloy.

Известен способ плакирования металлов путем нанесения коррозионностойкого металла, такого как Сr, Мо, на основу из сплава никеля (инконель) с последующими окислением в реакционной камере с кислородсодержащей атмосферой и лазерным оплавлением полученной на поверхности защищаемого металла окисленной пленки. В результате перечисленных операций на поверхности защищаемого металла образуется пленка оксида, препятствующая коррозии подложки [2]. A known method of cladding metals by applying a corrosion-resistant metal, such as Cr, Mo, to a nickel alloy base (inconel), followed by oxidation in an oxygen-containing atmosphere in a reaction chamber and laser fusion of the oxidized film obtained on the surface of the protected metal. As a result of the above operations, an oxide film is formed on the surface of the protected metal, which prevents corrosion of the substrate [2].

Недостаток этого способа состоит в том, что полученная оксидная пленка не обеспечивает защиты металла подложки от высокотемпературного окисления и коррозии. The disadvantage of this method is that the obtained oxide film does not protect the metal of the substrate from high temperature oxidation and corrosion.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является широко применяемый в промышленности способ плазменного напыления жаростойких покрытий из порошковых сплавов [3]. Согласно этому способу на подготовленную поверхность изделия с помощью сформированной соплом плазменной горелки струи ионизованного газа наносится нагреваемый этой же струей до температуры плавления порошковый сплав системы Ni-Cr-Al, образуя на поверхности изделия (подложки) жаростойкое покрытие. The closest in technical essence to the invention is a widely used in industry method for plasma spraying of heat-resistant coatings of powder alloys [3]. According to this method, a powder alloy of the Ni-Cr-Al system heated by the same jet to the melting temperature is applied to the prepared surface of the product using a jet of plasma torch nozzle of the ionized gas, forming a heat-resistant coating on the surface of the product (substrate).

Этот способ обладает рядом важных достоинств: высокая температура плазменной струи и возможность регулирования ее температуры и скорости путем выбора формы и диаметра сопла и режима напыления позволяют напылять широкую гамму материалов, в том числе тугоплавкие, сплавы системы Ni-Cr-Al и т.д., на детали различных форм и размеров. This method has a number of important advantages: the high temperature of the plasma jet and the ability to control its temperature and speed by choosing the shape and diameter of the nozzle and the spraying mode make it possible to spray a wide range of materials, including refractory ones, alloys of the Ni-Cr-Al system, etc. on parts of various shapes and sizes.

Недостатком данного способа является то, что полученные на поверхности жаростойких жаропрочных сплавов жаростойкие покрытия системы Ni-Cr-Al характеризуются неоднородной (слоистой) структурой, заметной (до 20%) пористостью, в том числе открытой, а также недостаточно высокой адгезией к указанным сплавам (не более 300...330 кГ/см²).The disadvantage of this method is that the heat-resistant coatings of the Ni-Cr-Al system obtained on the surface of heat-resistant heat-resistant alloys are characterized by a heterogeneous (layered) structure, noticeable (up to 20%) porosity, including open, as well as insufficient adhesion to these alloys ( no more than 300 ... 330 kg / cm ² ).

Технической задачей данного изобретения является создание способа, позволяющего получать жаростойкие покрытия из порошковых сплавов системы Ni-Cr-Al однородной микроструктуры, с небольшой пористостью и повышенной адгезией к изделиям из жаростойких жаропрочных сплавов. The technical task of this invention is to provide a method that allows to obtain heat-resistant coatings from powder alloys of the Ni-Cr-Al system of a uniform microstructure, with low porosity and increased adhesion to products from heat-resistant heat-resistant alloys.

Поставленная цель достигается тем, что на предварительно подготовленную (отпескоструенную) поверхность изделия из жаростойкого жаропрочного сплава плазменным способом наносится жаростойкое покрытие из порошкового сплава системы Ni-Cr-Al, а затем производится обработка покрытия непрерывным лазерным лучом со средней плотностью мощности 250...350 кВт/см² и средней плотностью энергии 0,8...1,3 кДж/см². Операция лазерной обработки не требует вакуумирования изделия или создания у обрабатываемой поверхности специальной газовой среды и может проводиться при нормальных атмосферных условиях. В качестве источника лазерного излучения могут использоваться непрерывные СO₂-лазеры, непрерывные лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом (АИГ).This goal is achieved by the fact that on a pre-prepared (sandblasted) surface of a product of heat-resistant heat-resistant alloy, a plasma method is applied to a heat-resistant coating of a powder alloy of the Ni-Cr-Al system, and then the coating is treated with a continuous laser beam with an average power density of 250 ... 350 kW / cm ² and an average energy density of 0.8 ... 1.3 kJ / cm ² . The laser processing operation does not require evacuation of the product or creation of a special gas medium near the surface to be treated and can be carried out under normal atmospheric conditions. As a source of laser radiation can be used continuous CO ₂ lasers, cw laser with yttrium aluminum garnet with neodymium (AIG).

Введение операции лазерной обработки за счет нагрева и плавления покрытия по всей толщине способствует прохождению в нем структурных изменений, а именно преобразованию исходной слоистой микроструктуры покрытия в плотную мелкозернистую с невысокой закрытой пористостью и полным отсутствием открытой пористости. В результате активных диффузионных процессов между покрытием и металлом защищаемой подложки образуется хорошая металлургическая связь, что увеличивает адгезию покрытия к подложке. При этом изменений микроструктуры металла подложки после лазерной обработки не обнаружено. The introduction of the laser processing operation due to heating and melting of the coating over the entire thickness contributes to the passage of structural changes in it, namely, the transformation of the initial layered microstructure of the coating into a dense fine-grained one with low closed porosity and a complete absence of open porosity. As a result of active diffusion processes, a good metallurgical bond is formed between the coating and the metal of the protected substrate, which increases the adhesion of the coating to the substrate. In this case, no changes in the microstructure of the metal of the substrate after laser treatment were detected.

Сущность изобретения поясняется на примерах. The invention is illustrated by examples.

Пример 1. Для получения жаростойкого покрытия на подложке из сплава ВЖ159 подложку предварительно обрабатывают. На подготовленную поверхность с помощью установки УПУ-3Д плазменным способом наносят слой толщиной δ=65 мкм из порошкового сплава системы Ni-Cr-Al. Нанесенный плазменным способом слой подвергают обработке лучом непрерывного СO₂- лазера при средней плотности мощности q=250 кВт/см² и средней плотности энергии W=0,8 кДж/см². В результате лазерной обработки исходная слоистая микроструктура покрытия, образованная расплющенными в линзы деформированными каплями расплава с тонкими слоями окислов по границам капель расплава, преобразована в плотную мелкозернистую микроструктуру (слоистость полностью исчезла); между покрытием и металлом подложки образовалась хорошая металлургическая связь; изменений микроструктуры сплава ВЖ159 не обнаружено. Численные значения параметров пористости и адгезии покрытия до и после лазерной обработки приведены в таблице.Example 1. To obtain a heat-resistant coating on a substrate of alloy VZh159, the substrate is pre-treated. On the prepared surface using the UPU-3D installation, a layer of thickness δ = 65 μm from a powder alloy of the Ni-Cr-Al system is applied by a plasma method. The plasma deposited layer is subjected to a beam of a continuous CO ₂ laser at an average power density q = 250 kW / cm ² and an average energy density W = 0.8 kJ / cm ² . As a result of laser treatment, the initial layered coating microstructure, formed by deformed melt drops flattened into lenses with thin oxide layers along the boundaries of the melt drops, is transformed into a dense fine-grained microstructure (the lamination completely disappeared); a good metallurgical bond formed between the coating and the substrate metal; no changes in the microstructure of the VZh159 alloy were detected. The numerical values of the parameters of porosity and adhesion of the coating before and after laser processing are given in the table.

Пример 2. Жаростойкое покрытие на подложке из сплава ЭИ435 получают аналогично примеру 1. Различия состоят в том, что толщина слоя δ=80 мкм, а лазерную обработку проводят при q=300 кВт/см² и W=1,1 кДж/cм². В результате лазерной обработки получено плотное мелкозернистое покрытие, имеющее хорошую металлургическую связь с металлом подложки. Изменений микроструктуры сплава ЭИ435 после лазерной обработки не обнаружено. Численные значения параметров пористости и адгезии покрытия после лазерной обработки приведены в таблице 1.Example 2. A heat-resistant coating on a substrate of alloy EI435 is obtained analogously to example 1. The differences are that the layer thickness is δ = 80 μm, and laser processing is carried out at q = 300 kW / cm ² and W = 1.1 kJ / cm ² . As a result of laser processing, a dense fine-grained coating is obtained having a good metallurgical bond with the substrate metal. No changes in the microstructure of the EI435 alloy after laser treatment were detected. The numerical values of the parameters of porosity and adhesion of the coating after laser treatment are shown in table 1.

Пример 3. Жаростойкое покрытие на подложке из сплава ЭП648 получают аналогично примерам 1 и 2. Различия состоят в том, что толщина слоя δ=100 мкм, а лазерную обработку проводят при q=350 кВт/см² и W=1,3 кДж/cм². Как в примерах 1 и 2, в результате лазерной обработки получено покрытие плотной мелкозернистой микроструктуры с хорошей металлургической связью между покрытием и металлом подложки. Изменений микроструктуры сплава ЭП648 после лазерной обработки не обнаружено. Величины параметров пористости и адгезии покрытия после лазерной обработки приведены в таблице.Example 3. A heat-resistant coating on a substrate of EP648 alloy is obtained similarly to examples 1 and 2. The differences are that the layer thickness is δ = 100 μm, and laser processing is carried out at q = 350 kW / cm ² and W = 1.3 kJ / cm ² . As in examples 1 and 2, as a result of laser processing, a dense fine-grained microstructure is coated with a good metallurgical bond between the coating and the substrate metal. No changes in the microstructure of the EP648 alloy after laser treatment were detected. The values of the parameters of porosity and adhesion of the coating after laser treatment are shown in the table.

Как видно из приведенных примеров, применение изобретения позволяет улучшить однородность микроструктуры, существенно (в 18...20 раз) уменьшить пористость, полностью исключить открытую пористость и до 30% повысить адгезию жаростойких покрытий системы Ni-Cr-Al для защиты жаростойких жаропрочных сплавов. As can be seen from the above examples, the application of the invention allows to improve the uniformity of the microstructure, significantly (18 ... 20 times) reduce porosity, completely eliminate open porosity and increase adhesion of heat-resistant coatings of the Ni-Cr-Al system to 30% to protect heat-resistant heat-resistant alloys.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволит получить более качественные покрытия на изделиях, в частности на форсунках и жаровых трубах, обладающие высокой адгезией и износостойкостью, что обеспечивает повышение ресурса и надежности изделий. Thus, the application of the proposed method will allow to obtain better coatings on products, in particular on nozzles and flame tubes, with high adhesion and wear resistance, which provides increased resource and reliability of products.

Источники информации
1. Заявка Японии 2769338, МКИ С 23 С 26/00.Sources of information
1. Application of Japan 2769338, MKI C 23 C 26/00.

2. Заявка Японии 2788246, МКИ С 23 С 28/00. 2. Application of Japan 2788246, MKI C 23 C 28/00.

3. Хасуи А., Моригаки О. "Наплавка и напыление" пер. с японского В.Н.Попова под ред. B.C. Степина, Н.Г.Шестеркина. Москва, Машиностроение, 1985 г., с. 128-165. 3. Khasui A., Morigaki O. "Surfacing and spraying" per. from Japanese V.N.Popov, ed. B.C. Stepina, N.G. Shesterkina. Moscow, Engineering, 1985, p. 128-165.

Claims

1. A method of obtaining a protective coating on a product made of heat-resistant heat-resistant alloy, including preparing the surface of the product for coating, plasma coating of a powder alloy of the Ni-Cr-Al system, characterized in that after the plasma coating the product is subjected to a continuous laser beam treatment at an average power density 250-350 kW / cm ² and an average energy density of 0.8-1.3 kJ / cm ² .

2. The method according to p. 1, characterized in that as a source of laser radiation using CO ₂ laser, a laser on AIG.

3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the laser treatment is carried out in air.