RU2280095C2 - Method of deposition of the coating - Google Patents
Method of deposition of the coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2280095C2 RU2280095C2 RU2004129000/02A RU2004129000A RU2280095C2 RU 2280095 C2 RU2280095 C2 RU 2280095C2 RU 2004129000/02 A RU2004129000/02 A RU 2004129000/02A RU 2004129000 A RU2004129000 A RU 2004129000A RU 2280095 C2 RU2280095 C2 RU 2280095C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- zro
- layer
- deposition
- powder
- Prior art date
Links
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Nonmetallic Welding Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в том числе для крупногабаритных деталей горячего тракта турбины (камеры сгорания, жаровые трубы и т.д.).The invention relates to mechanical engineering and can be used in aviation and power turbine engineering to protect parts operating at high temperatures, including for large-sized parts of a hot turbine path (combustion chambers, flame tubes, etc.).
Известен способ нанесения покрытия на лопатку турбины, включающий предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония стабилизированного 7-9 мас.%, оксида иттрия (ZrO2·7% Y2O3) и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиг (патент РФ №2078148).There is a method of coating a turbine blade, including preliminary abrasive-liquid treatment and grinding powder treatment, applying a layer of heat-resistant coating of a nickel-based alloy by vacuum-plasma technology, applying a second layer of an alloy based on aluminum alloyed with nickel alloyed with 13-16% and yttrium 1.5-1.8%, vacuum annealing and surface preparation before applying the third ceramic layer of stabilized zirconia 7-9 wt.%, Yttrium oxide (ZrO 2 · 7% Y 2 O 3 ) and subsequent additional vacuum many diffusion and oxidative annealing (RF patent No. 2078148).
Покрытие, полученное по известному способу, при температуре ≥1100°С имеет теплопроводность λ керамического слоя на основе ZrO2·7% Y2O3, равную ~2,5-3 Вт/м·град., что приводит к необходимости увеличения толщины слоя до 300 мкм с целью получения теплоперепада на керамическом слое ~100°С. Это, в свою очередь, приводит к снижению служебных характеристик покрытия (термостойкости, длительной прочности, надежности). С другой стороны, известный способ невозможно реализовать на крупногабаритных деталях горячего тракта газотурбинного двигателя (ГТД) из-за трудностей создания специального оборудования для покрытия таких деталей.The coating obtained by the known method at a temperature of ≥1100 ° C has a thermal conductivity λ of the ceramic layer based on ZrO 2 · 7% Y 2 O 3 equal to ~ 2.5-3 W / m · deg., Which leads to the need to increase the thickness layer up to 300 microns in order to obtain heat transfer on the ceramic layer ~ 100 ° C. This, in turn, leads to a decrease in the service characteristics of the coating (heat resistance, long-term strength, reliability). On the other hand, the known method cannot be implemented on large-sized parts of the hot path of a gas turbine engine (GTE) due to the difficulties of creating special equipment to cover such parts.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ нанесения покрытия на детали ГТД, в том числе на крупногабаритные детали (камеру сгорания, жаровые трубы и т.д.), включающий предварительную обработку поверхности детали, нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе никеля, нанесение второго слоя, содержащего алюминий, проведение вакуумного диффузионного отжига, подготовку поверхности под нанесение третьего керамического слоя и финишную обработку детали с покрытием, при этом первый и третий слои покрытия наносят газотермическим способом, а второй слой методом шликерной технологии (патент РФ №2214475).The closest analogue taken as a prototype is the method of coating parts of a gas turbine engine, including large-sized parts (a combustion chamber, flame tubes, etc.), including pre-treatment of the surface of the part, applying the first layer of a heat-resistant coating of an alloy based on nickel, applying a second layer containing aluminum, conducting vacuum diffusion annealing, preparing the surface for applying the third ceramic layer and finishing the coated part, with the first and third coating layers applied by the thermal method, and the second layer by slip technology (RF patent No. 2214475).
В известном способе нанесения покрытия также используется керамика на основе ZrO2·Y2O3 7%, что не позволяет повысить термостойкость композиции сплав - покрытие и теплозащитный эффект, определяемый теплоперепадом на единицу толщины керамического слоя.The known coating method also uses ceramics based on ZrO 2 · Y 2 O 3 7%, which does not allow to increase the heat resistance of the alloy-coating composition and the heat-shielding effect, which is determined by the heat drop per unit thickness of the ceramic layer.
Технической задачей изобретения является создание способа нанесения покрытия на детали ГТД, который позволяет повысить термостойкость композиции сплав - покрытие и теплозащитный эффект.An object of the invention is to provide a method for coating parts of a gas turbine engine, which improves the heat resistance of the alloy-coating composition and the heat-shielding effect.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ нанесения покрытия на детали ГТД, включающий предварительную обработку поверхности детали, нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе никеля, нанесение второго слоя, содержащего алюминий, проведение вакуумного диффузионного отжига, подготовку поверхности под нанесение третьего слоя покрытия, нанесение третьего керамического слоя и финишную обработку детали с покрытием, при этом керамический слой наносят из порошка ZrO2·Yb2O3 или из смеси порошков ZrO2·Yb2O3 и ZrO2·Y2O3 при следующем их соотношении, мас %:The stated technical problem is achieved by the fact that the proposed method of coating parts of a gas turbine engine, including pre-processing the surface of the part, applying the first layer of a heat-resistant coating of an alloy based on nickel, applying a second layer containing aluminum, conducting vacuum diffusion annealing, preparing the surface for applying the third layer coating, applying the third ceramic layer and finishing the coated part, while the ceramic layer is applied from ZrO 2 · Yb 2 O 3 powder or from a powder mixture forks ZrO 2 · Yb 2 O 3 and ZrO 2 · Y 2 O 3 in the following ratio, wt%:
В качестве порошка используют сфероидизированный порошок грануляции 50-80 мкм.As a powder, a spheroidized granulation powder of 50-80 microns is used.
Применение для керамического слоя покрытия диоксида циркония, стабилизированного оксидами иттербия или смесью оксидов иттербия и иттрия, обеспечивает повышение термостойкости композиции сплав - покрытие.The use of zirconia stabilized with ytterbium oxides or a mixture of ytterbium and yttrium oxides for the ceramic coating layer provides an increase in the heat resistance of the alloy-coating composition.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯEXAMPLES OF IMPLEMENTATION
Покрытие наносили на образцы и натурные детали из жаропрочного никелевого сплава ВЖ155 и ВЖ159. Плоские образцы и детали из жаропрочного сплава подвергали предварительной обработке под нанесение покрытия (обезжиривание, пескоструйная обработка шлифпорошком 25А F30 на пескоструйной установке) для удаления окалины и других загрязнений и обеспечения шероховатой поверхности. После окончания подготовительной обработки на деталь газотермическим способом (плазменное напыление на установке УПУ-3Д) наносили первый слой жаростойкого покрытия из никелевого сплава системы Ni-Co-Cr-Al-Y толщиной 80 мкм. Система покрытия Ni-Co-Cr-Al-Y первого слоя имеет промежуточное значение коэффициента линейного термического расширения, что обеспечивает совместимость керамического слоя покрытия с основой - жаропрочным сплавом. Конкретный состав первого слоя выбирали в зависимости от материала детали таким образом, чтобы обеспечить согласование термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в области рабочих температур материала основы (детали) с ТКЛР материала покрытия первого слоя.The coating was applied to samples and full-scale parts made of heat-resistant nickel alloy VZh155 and VZh159. Flat samples and parts made of a heat-resistant alloy were pretreated for coating (degreasing, sandblasting with sanding powder 25A F30 in a sandblasting unit) to remove scale and other impurities and provide a rough surface. After the preparatory treatment was completed, the first part of the heat-resistant coating of a nickel alloy of the Ni-Co-Cr-Al-Y system with a thickness of 80 μm was applied to the part by the thermal method (plasma spraying at the UPU-3D installation). The coating system Ni-Co-Cr-Al-Y of the first layer has an intermediate value of the coefficient of linear thermal expansion, which ensures compatibility of the ceramic coating layer with the base - heat-resistant alloy. The specific composition of the first layer was selected depending on the material of the part in such a way as to ensure that the thermal coefficient of linear expansion (TEC) in the operating temperature range of the base material (part) matches the TEC of the coating material of the first layer.
Затем на деталь наносили второй слой из шликера следующего состава, мас.%:Then, a second layer of slip of the following composition was applied to the part, wt.%:
Шликерное покрытие наносили кистью или краскораспылителем (в зависимости от доступности участков крупногабаритного изделия, подлежащих покрытию) при давлении сжатого воздуха 3-5 ат и одним или двумя слоями общей толщиной 30-50 мкм, затем проводили сушку шликерного слоя в воздушной атмосфере печи при температуре 350°С с выдержкой 30-60 мин и подъемом температуры в течение 1,5-3 ч. Такой режим сушки позволял полностью удалить воду из шликерного слоя независимо от габаритов и массы детали, что способствовало получению качественного покрытия.A slip coating was applied with a brush or a spray gun (depending on the availability of areas of a large product to be coated) at a pressure of 3-5 atm and one or two layers with a total thickness of 30-50 microns, then the slip layer was dried in an air atmosphere of a furnace at a temperature of 350 ° C with a holding time of 30-60 minutes and raising the temperature for 1.5-3 hours. This drying mode made it possible to completely remove water from the slip layer, regardless of the dimensions and weight of the part, which contributed to obtaining a high-quality coating.
Далее деталь подвергали диффузионному вакуумному отжигу при температуре 1050°С в течение 3-4 ч для получения диффузионного алюминидного слоя. В процессе вакуумного отжига происходило уплотнение первого слоя покрытия с заполнением открытой пористости, присущей газотермическому покрытию, интерметаллидом на основе β-фазы (NiAl).Next, the part was subjected to diffusion vacuum annealing at a temperature of 1050 ° C for 3-4 h to obtain a diffusion aluminide layer. During the vacuum annealing, the first coating layer was densified with the open porosity inherent in the gas-thermal coating being filled with an intermetallic compound based on the β phase (NiAl).
После диффузионного отжига проводили подготовку поверхности перед нанесением керамического слоя (обдувка шлифпорошком 25А (F30), виброшлифование) для удаления шлаков от второго слоя на основе шликера. Затем деталь с покрытием обдували чистым сжатым воздухом для удаления остатков электрокорунда и обеспечения лучшей адгезии керамического слоя.After diffusion annealing, the surface was prepared before applying the ceramic layer (blowing with grinding powder 25A (F30), vibration grinding) to remove slags from the second slip-based layer. Then, the coated part was blown with clean compressed air to remove electrocorundum residues and ensure better adhesion of the ceramic layer.
На очищенную поверхность образцов и деталей наносили газотермическим способом третий керамический слой из порошка следующего состава ZrO2·Yb2O3 или смесь порошков следующего состава, мас.%:The third ceramic layer of a powder of the following composition ZrO 2 · Yb 2 O 3 or a mixture of powders of the following composition, wt.%, Was applied by a thermal spray to the cleaned surface of samples and parts:
В качестве порошка использовали сфероидизированный порошок грануляции 50-80 мкмAs the powder used spheroidized granulation powder of 50-80 microns
После нанесения слоя керамики образцы и детали с покрытием подвергали финишной обработке.After applying a layer of ceramics, the samples and coated parts were finished.
В качестве финишной обработки проводили виброшлифовку поверхности керамического слоя для получения шероховатости поверхности ▽ 6-7, а затем вакуумную термообработку детали с покрытием при температуре 1000-1050°С в течение 1-3 ч. Полученные образцы из листового жаропрочного сплава ВЖ155 или ВЖ159 с покрытиями, отличающимися составом керамического слоя и толщиной, подвергали испытаниям на термостойкость и определению теплозащитного эффекта. Определение теплозащитного эффекта (ΔT, °C) проводили на образцах из сплава ВЖ159, ВЖ155 с ТЗП при тепловых потоках на уровне (2,5-3,5)·106 Вт/м, близких по значению к потоку, реализуемому в камерах сгорания ГТД.As a finishing treatment, the surface grinding of the ceramic layer was performed to obtain a surface roughness of ▽ 6-7, and then vacuum heat treatment of the coated part at a temperature of 1000-1050 ° C for 1-3 hours. The samples obtained from the heat-resistant alloy sheet VZh155 or VZh159 with coatings , differing in the composition of the ceramic layer and thickness, were tested for heat resistance and determine the heat-shielding effect. Determination of the heat-shielding effect (ΔT, ° C) was carried out on samples of alloy VZh159, VZh155 with TZP at heat fluxes at the level of (2.5-3.5) · 10 6 W / m, close in value to the flow realized in combustion chambers GTE.
Сравнительные характеристики образцов с покрытием, полученным по предлагаемому способу и способу-прототипу, приведены в таблице.Comparative characteristics of samples with a coating obtained by the proposed method and the prototype method are shown in the table.
Из примеров, приведенных в таблице, видно, что образцы из указанных сплавов типа ВЖ с предлагаемым покрытием обеспечивают теплозащитный эффект ≥100°С при испытаниях в спокойной атмосфере печи на воздухе при 1150°С, а также высокую термостойкость при «жестком» цикле испытаний (см. пп.1, 2, 3 таблицы).From the examples shown in the table, it can be seen that samples of these alloys of the VZh type with the proposed coating provide a heat-shielding effect of ≥100 ° C when tested in a calm atmosphere of a furnace in air at 1150 ° C, as well as high heat resistance with a “hard” test cycle ( see paragraphs 1, 2, 3 of the table).
При минимальном содержании оксида иттербия покрытие имеет термостойкость свыше 60 циклов и теплозащитный эффект (ΔT, °C), равный 96°С.With a minimum content of ytterbium oxide, the coating has a heat resistance of more than 60 cycles and a heat-shielding effect (ΔT, ° C) equal to 96 ° C.
Образцы №2, имеющие средний состав керамического слоя, обеспечили термостойкость 70 циклов и теплозащитный эффект (ΔT, °C) 110°С.Samples No. 2, having an average composition of the ceramic layer, provided heat resistance of 70 cycles and a heat-shielding effect (ΔT, ° C) of 110 ° C.
По результатам испытаний при максимальном содержании оксида иттербия (100%) в керамическом слое (образцы №3) покрытие имеет более высокие свойства по сравнению прототипом (образцы №4), термостойкость 75 циклов и теплозащитный эффект 118°С.According to the test results with a maximum content of ytterbium oxide (100%) in the ceramic layer (samples No. 3), the coating has higher properties compared to the prototype (samples No. 4), heat resistance of 75 cycles and heat-shielding effect of 118 ° C.
На поверхности образцов с покрытием, полученным по способу-прототипу, после термоциклических испытаний (60 циклов) обнаружены микротрещины, а после испытаний при 1150°С по определению теплозащитного эффекта (ΔT, °C), равного 80°С, были замечены незначительные (5% от общей поверхности покрытия) сколы керамического слоя покрытия.Microcracks were found on the surface of coated samples obtained by the prototype method after thermal cycling tests (60 cycles), and after testing at 1150 ° C, insignificant ones were detected (80 ° C by the determination of the heat-shielding effect (ΔT, ° C) equal to 80 ° C) % of the total surface of the coating) chips of the ceramic coating layer.
Теплозащитные покрытия, полученные по предлагаемому способу, предназначены для увеличения ресурса элементов камеры сгорания ГТД, работающих при температуре выше 1150°С. При использовании предлагаемого способа нанесения покрытия не требуется дорогостоящего оборудования.Thermal protective coatings obtained by the proposed method are designed to increase the life of the elements of the combustion chamber of a gas turbine engine operating at temperatures above 1150 ° C. When using the proposed coating method, expensive equipment is not required.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004129000/02A RU2280095C2 (en) | 2004-10-05 | 2004-10-05 | Method of deposition of the coating |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004129000/02A RU2280095C2 (en) | 2004-10-05 | 2004-10-05 | Method of deposition of the coating |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004129000A RU2004129000A (en) | 2006-03-10 |
RU2280095C2 true RU2280095C2 (en) | 2006-07-20 |
Family
ID=36115924
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004129000/02A RU2280095C2 (en) | 2004-10-05 | 2004-10-05 | Method of deposition of the coating |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2280095C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2447195C2 (en) * | 2009-07-06 | 2012-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие "Турбинаспецсервис" | Method for production of reinforced heat-shielding coating |
RU2534234C2 (en) * | 2012-01-13 | 2014-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-инженерный центр "АДМ" | Device for control over detonation building up of linear physical structure depth |
RU2688417C1 (en) * | 2018-08-08 | 2019-05-22 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method for application of heat-resistant coating on turbine blades of high-load engine |
-
2004
- 2004-10-05 RU RU2004129000/02A patent/RU2280095C2/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2447195C2 (en) * | 2009-07-06 | 2012-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие "Турбинаспецсервис" | Method for production of reinforced heat-shielding coating |
RU2534234C2 (en) * | 2012-01-13 | 2014-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-инженерный центр "АДМ" | Device for control over detonation building up of linear physical structure depth |
RU2688417C1 (en) * | 2018-08-08 | 2019-05-22 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method for application of heat-resistant coating on turbine blades of high-load engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004129000A (en) | 2006-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1640477B2 (en) | High temperature component with thermal barrier coating and gas turbine using the same | |
Haynes et al. | Thermal cycling behavior of plasma-sprayed thermal barrier coatings with various MCrAlX bond coats | |
JP4166977B2 (en) | High temperature corrosion resistant alloy material, thermal barrier coating material, turbine member, and gas turbine | |
US5683761A (en) | Alpha alumina protective coatings for bond-coated substrates and their preparation | |
EP2918570B1 (en) | Articles having reduced expansion hermetic environmental barrier coatings and methods for their manufacture | |
US5277936A (en) | Oxide containing MCrAlY-type overlay coatings | |
Brindley et al. | Thermal barrier coating life and isothermal oxidation of low-pressure plasma-sprayed bond coat alloys | |
JPH01279781A (en) | Ceramic coated heat resistant member | |
CN113584419B (en) | Thermal barrier coating for TiAl alloy surface and preparation method thereof | |
EP1627862A1 (en) | Ceramic compositions for thermal barrier coatings with improved mechanical properties | |
JP4031631B2 (en) | Thermal barrier coating material, gas turbine member and gas turbine | |
Wu et al. | Thermal cyclic response of yttria-stabilized zirconia/CoNiCrAlY thermal barrier coatings | |
JPH0967662A (en) | Ceramic-coated member | |
WO2020166565A1 (en) | Calcination jig | |
Mahmood et al. | Improved oxidation resistance for thermal barrier ceramic coating protect | |
EP0508731B1 (en) | Use of an oxide coating to enhance the resistance to oxidation and corrosion of a silicon nitride based gas turbine blade | |
RU2375499C2 (en) | Method of producing multi-layer heat protecting coating on parts out of heat resistant alloys | |
RU2280095C2 (en) | Method of deposition of the coating | |
JP2006328499A (en) | Thermal barrier coating, gas turbine high-temperature component, and gas turbine | |
RU2214475C2 (en) | Method of applying coats | |
JPS61174385A (en) | Ceramic-coated fire resistant member and its production | |
RU2586376C2 (en) | High-temperature heat-resistant coating | |
Vencl et al. | Thermal cycling behaviour of plasma sprayed NiCr-Al-Co-Y2O3 bond coat in thermal barrier coating system | |
JPS62211387A (en) | Production of ceramic coated heat resistant member | |
JPH04147957A (en) | Heat insulating aluminum-based member |