RU2352686C2 - Наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления - Google Patents

Наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления Download PDF

Info

Publication number
RU2352686C2
RU2352686C2 RU2006114768/02A RU2006114768A RU2352686C2 RU 2352686 C2 RU2352686 C2 RU 2352686C2 RU 2006114768/02 A RU2006114768/02 A RU 2006114768/02A RU 2006114768 A RU2006114768 A RU 2006114768A RU 2352686 C2 RU2352686 C2 RU 2352686C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic
coating system
alloy
ceramic particles
particles
Prior art date
Application number
RU2006114768/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2006114768A (ru
Inventor
Кришнамуртхи АНАНД (IN)
Кришнамуртхи АНАНД
Пажайаннур Раманатхан СУБРАМАНИАН (US)
Пажайаннур Раманатхан СУБРАМАНИАН
Деннис Майкл ГРЭЙ (US)
Деннис Майкл ГРЭЙ
Сринидхи САМПАТХ (IN)
Сринидхи САМПАТХ
Ших-Чин ХУАН (US)
Ших-Чин ХУАН
Уоррен Артур НЕЛЬСОН (US)
Уоррен Артур НЕЛЬСОН
Уэйн Чарльз ХАСЦ (US)
Уэйн Чарльз ХАСЦ
Original Assignee
ДЖЕНЕРАЛ ЭЛЕКТРИК КОМПАНИ (э Нью-Йорк Корпорейшн)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ДЖЕНЕРАЛ ЭЛЕКТРИК КОМПАНИ (э Нью-Йорк Корпорейшн) filed Critical ДЖЕНЕРАЛ ЭЛЕКТРИК КОМПАНИ (э Нью-Йорк Корпорейшн)
Publication of RU2006114768A publication Critical patent/RU2006114768A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2352686C2 publication Critical patent/RU2352686C2/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Paints Or Removers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к наноструктурным системам покрытий. Жаропрочная система покрытия содержит по существу пластичную основу из связующего материала и множество по существу твердых наноразмерных керамических частиц, распределенных в по существу пластичной основе из связующего материала. Средний свободный промежуток между множеством по существу твердых наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров. Связующая основа содержит по меньшей мере один компонент, выбранный из суперсплава, сплава для твердой пайки, многофазного сплава, низкотемпературного сплава, жаропрочного сплава, интерметаллического материала, полупроводникового металла, керамического материала и сплава с памятью формы. Множество наноразмерных керамических частиц содержит по меньшей мере один компонент, выбранный из керамического оксида, керамического карбида, керамического нитрида, керамического борида, силицида металла, керамического оксикарбида, керамического оксинитрида и углерода. Получают наноструктурные системы покрытий, обеспечивающие достижение повышенной эрозионной стойкости, коррозионной стойкости, стойкости к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационной стойкости при сравнительно низких температурах. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к наноструктурным системам (композициям) покрытий, компонентам и соответствующим способам изготовления, обеспечивающим повышенную износостойкость и эрозионную стойкость как при высоких, так и при низких температурах. Более точно, настоящее изобретение относится к системам покрытий, компонентам и соответствующим способам изготовления, которые предусматривают использование множества относительно твердых, хрупких наноразмерных частиц, расположенных в относительно пластичной основе.
Предпосылки создания изобретения
Существует постоянное стремление добиться более высоких рабочих температур для газовых турбин, авиационных двигателей и т.п. для улучшения их технических характеристик и повышения эффективности их работы. Однако при повышении подобных рабочих температур срок службы (долговечность) компонентов данных газовых турбин, авиационных двигателей и т.п. при высокой температуре должен соответственно увеличиваться. Существенный прогресс в области технических характеристик при высоких температурах был достигнут за счет разработки составов и усовершенствования суперсплавов (специальных сплавов) на никелевой, кобальтовой и железной основе. Эти суперсплавы были предназначены для выдерживания температур, превышающих приблизительно 800°С и выше. Тем не менее, при использовании их для образования компонентов газовой турбины, авиационного двигателя или т.п. суперсплавы подвержены разрушению, вызванному окислением и коррозионным воздействием при высоких температурах, и существует возможность того, что они не будут сохранять соответствующие механические свойства. По этой причине подобные компоненты, как правило, защищают климатическим или теплоизоляционным покрытием, которое, как правило, называют покрытием, создающим термический барьер.
Износостойкость, эрозионная стойкость, стойкость к коррозионному истиранию и прочность при высоких температурах представляют собой важные свойства компонентов и систем покрытий газовых турбин, авиационных двигателей и т.п. Для обеспечения соответствующей износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах система покрытия должна сохранять свою твердость, иметь соответствующую ударную вязкость и быть стойкой к окислению. Диапазон эксплуатационных рабочих характеристик обычных жаропрочных систем покрытий, таких как карбиды, стойкие к истиранию сплавы triballoys (сплавы на основе кобальта, никеля, молибдена, кремния и хрома) и т.п., ограничен значениями до приблизительно 800°С - до приблизительно 850°С. Аналогичным образом, беспримесные однофазные керамические системы покрытий имеют сравнительно низкую ударную вязкость и не проявляют хороших эксплуатационных характеристик при повышенных температурах. В настоящее время к лучшим имеющимся системам покрытий с точки зрения износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С) относятся вещества основы L605 и диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). Системы покрытий с элементами микронного размера на основе MCrAlY-оксида алюминия, включающие множество относительно твердых, хрупких керамических частиц микронного размера, демонстрируют свойства, сравнимые со свойствами систем покрытий на основе WC-Co при испытаниях на износ и эрозию, проводимых при комнатной температуре, однако они также не проявляют хороших характеристик при повышенных температурах.
Таким образом, по-прежнему существует необходимость в системе покрытия, которая обеспечивает повышенную износостойкость, эрозионную стойкость, стойкость к коррозионному истиранию и прочность при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С). Данная система покрытия должна сохранять свою твердость, иметь соответствующую ударную вязкость и быть стойкой к окислению.
Аналогичным образом, при сравнительно низких температурах компоненты турбин гидроэлектростанций и т.п. подвергаются существенной эрозии при воздействии на них, например, ила в реках, содержание которого превышает приблизительно 1000 частей на миллион. Данная проблема может быть особенно серьезной в Южной и Юго-Восточной Азии и Южной Америке, где содержание ила во время сезона дождей может превышать приблизительно 50000 частей на миллион. Повреждения, вызванные эрозией, могут привести к уменьшенному кпд и неизбежно влекут за собой дорогостоящие остановки (отключения), связанные с техническим обслуживанием и ремонтом, и замену тяжелых компонентов каждые несколько лет. Чтобы избежать подобных проблем, на многих электростанциях отключают гидроэлектрические турбины, когда содержание ила достигает заранее заданного порогового значения, например, приблизительно 5000 частей на миллион.
Для решения данных проблем компоненты турбин гидроэлектрических станций изготавливали из мартенситной нержавеющей стали 13-4, нержавеющей стали 16-5-1 или т.п., чтобы уменьшить коррозию и повысить эрозионную стойкость компонентов. Также с ограниченным успехом использовали керамические системы покрытий, такие как оксид алюминия, оксид алюминия - диоксид титана и оксид хрома, наносимые с помощью процесса воздушно-плазменного напыления. Аналогичным образом использовали системы покрытий NiCrBSi+WC-CoCr с зернами WC [карбида вольфрама] микронного размера, наносимые посредством процесса напыления и оплавления, и системы покрытий WC-CoCr с зернами WC, наносимые посредством гибридного процесса термического распыления DJ HVOF (diamond jet - high-velocity oxy fuel). Однако ни одна из этих систем покрытий не продемонстрировала надлежащей эрозионной стойкости в условиях, когда содержание ила высокое и скорость воды находится в диапазоне от приблизительно 30 м/с до приблизительно 70 м/с.
Таким образом, по-прежнему существует необходимость в системе покрытия, которая обеспечивает повышенную эрозионную стойкость, коррозионную стойкость, стойкость к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационную стойкость при сравнительно низких температурах.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С). Системы покрытий включают множество сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц, распределенных в сравнительно пластичной, стойкой к окислению основе. Стойкая к окислению основа служит в качестве связующего и включает основу из металлического сплава с установленными характеристиками при высоких температурах. Например, основа из металлического сплава включает сплав на никелевой основе (такой как специальный сплав на никелевой основе, NiCr, NiCrAlY или т.п.), сплав на кобальтовой основе (такой как L605, HS188, CoCrAlY или т.п.), интерметаллическую систему (такую как NiAl, Ni3Al или т.п.) или сплав с памятью формы, который поглощает энергию удара посредством мартенситного превращения. Наноразмерные керамические частицы могут включать оксид алюминия, оксид циркония, оксид иттрия, гранат на иттриевой основе, муллит, оксид гафния или соответствующую комбинацию их. Вредных взаимодействий между основой из металлического сплава и наноразмерными керамическими частицами избегают за счет выбора комбинаций оксидов металлов, которые вряд ли приведут к нежелательным реакциям. Предпочтительно содержание керамической фазы в объемных процентах находится в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 95%, и размер наноразмерных керамических частиц находится в интервале от приблизительно 5 нм до приблизительно 200 нм, обеспечивая средний свободный промежуток в интервале от приблизительно 200 нм или менее, более предпочтительно - в интервале от приблизительно 100 нм или менее. Если требуется, множество сравнительно твердых, хрупких керамических частиц микронного размера также может быть распределено в основе из металлического сплава в бимодальном варианте осуществления настоящего изобретения.
Системы покрытий по настоящему изобретению демонстрируют увеличенную твердость при повышенных температурах при повышенной стойкости к зарождению и распространению трещин. В частности, относительно твердые, хрупкие наноразмерные керамические частицы обеспечивают увеличенную твердость при повышенных температурах за счет того, что они действуют как препятствие по отношению к перемещению дислокаций, тем самым ограничивая деформацию основы из металлического сплава. Зарождение трещин маловероятно, поскольку относительно твердые, хрупкие керамические частицы имеют наноразмеры (или альтернативно, наноразмеры и микронные размеры), и распространение трещин маловероятно, поскольку сложная спроектированная микроструктура делает траектории распространения извилистыми.
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения также разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной эрозионной стойкости, коррозионной стойкости, стойкости к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационной стойкости при сравнительно низких температурах. Системы покрытий включают в себя множество зерен карбида вольфрама WC с наноразмерами и микронными размерами, распределенных в коррозионно-стойком связующем материале CoCr. Использование наноразмерных зерен WC гарантирует избежание микрорастрескивания зерен WC и уменьшение среднего расстояния между зернами WC, что обеспечивает повышение эрозионной стойкости систем покрытий. Использование зерен WC микронного размера обеспечивает повышение эрозионной стойкости систем покрытий при сравнительно плоских углах и приводит к тому, что траектории распространения [трещин] в связующем материале CoCr будут извилистыми. Использование наноразмерных зерен WC при сравнительно небольшом среднем свободном промежутке обеспечивает повышение общей ударной вязкости систем покрытий, что позволяет иметь меньшее содержание CoCr.
Системы покрытий по настоящему изобретению осаждают на компоненте посредством термического напыления, нанесения гальванических композиционных покрытий (осаждения покрытия электрохимическим методом или химическим путем (методом химического восстановления)), нанесения композиционного покрытия натиранием, электронно-лучевого - физического осаждения из паровой фазы, формования напылением, механического легирования с последующей спрессовкой порошков, смешивания с твердым припоем и нанесения посредством процесса пайки твердым припоем, напыления и оплавления, лазерного переплава или любого другого традиционного способа.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения жаропрочная система покрытия включает по существу пластичную связующую основу и множество по существу твердых наноразмерных керамических частиц, распределенных в по существу пластичной связующей основе, причем средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения жаропрочный компонент включает основной материал, имеющий поверхность, по существу пластичную связующую основу, расположенную по соседству (примыкающую) с поверхностью основного материала, и множество по существу твердых наноразмерных керамических частиц, распределенных в по существу пластичной связующей основе, при этом средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления жаропрочной системы покрытия включает выполнение по существу пластичной связующей основы и распределение множества по существу твердых наноразмерных керамических частиц в по существу пластичной связующей основе, при этом средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения низкотемпературная система покрытия включает по существу коррозионно-стойкую связующую основу, при этом по существу коррозионно-стойкая связующая основа включает, по меньшей мере, один из кобальта, хрома, никеля, нержавеющей стали, нержавеющей стали, легированной кобальтом, сплава на основе железа, аморфного материала и сплава с памятью формы. Низкотемпературная система покрытия также включает множество по существу твердых наноразмерных зерен, распределенных в по существу коррозионно-стойкой связующей основе, причем множество по существу твердых наноразмерных зерен включает, по меньшей мере, один из карбида вольфрама, карбида титана, диборида титана, нитрида титанового сплава, карбида бора, кубического нитрида бора, карбида кремния, нитрида кремния, алмаза и оксида, и при этом средний свободный промежуток между множеством по существу твердых наноразмерных зерен имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения низкотемпературный компонент включает основной материал, имеющий поверхность, и по существу коррозионно-стойкую связующую основу, расположенную по соседству с поверхностью основного материала, при этом по существу коррозионно-стойкая связующая основа включает, по меньшей мере, один из кобальта, хрома, никеля, нержавеющей стали, нержавеющей стали, легированной кобальтом, сплава на основе железа, аморфного материала и сплава с памятью формы. Низкотемпературный компонент также включает множество по существу твердых наноразмерных зерен, распределенных в по существу коррозионно-стойкой связующей основе, причем множество по существу твердых наноразмерных зерен включает, по меньшей мере, один из карбида вольфрама, карбида титана, диборида титана, нитрида титанового сплава, карбида бора, кубического нитрида бора, карбида кремния, нитрида кремния, алмаза и оксида, и при этом средний свободный промежуток между множеством по существу твердых наноразмерных зерен имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения способ изготовления низкотемпературной системы покрытия включает выполнение по существу коррозионно-стойкой связующей основы, при этом по существу коррозионно-стойкая связующая основа включает, по меньшей мере, один из кобальта, хрома, никеля, нержавеющей стали, нержавеющей стали, легированной кобальтом, сплава на основе железа, аморфного материала и сплава с памятью формы. Способ также включает распределение множества по существу твердых наноразмерных зерен в по существу коррозионно-стойкой связующей основе, причем множество по существу твердых наноразмерных зерен включает, по меньшей мере, один из карбида вольфрама, карбида титана, диборида титана, нитрида титанового сплава, карбида бора, кубического нитрида бора, карбида кремния, нитрида кремния, алмаза и оксида, и при этом средний свободный промежуток между множеством по существу твердых наноразмерных зерен имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой концептуальное схематическое изображение одного варианта осуществления наноструктурной системы покрытия по настоящему изобретению, включающей множество относительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц, распределенных в относительно пластичной стойкой к окислению основе.
Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий концептуальную зависимость между размером зерна керамических частиц и средним свободным промежутком между керамическими частицами (d/λ) в системе покрытия из кермета и трещиностойкостью (Кс) системы покрытия из кермета как для нанорежима, так и для микронного режима для систем, в которых связующий материал является пластичным и не содержит растворенной твердой фазы.
Фиг.3 представляет собой концептуальное схематическое изображение другого варианта осуществления наноструктурной системы покрытия по настоящему изобретению, включающей множество относительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц и множество относительно твердых, хрупких керамических частиц микронного размера, распределенных в относительно пластичной стойкой к окислению основе.
Фиг.4 представляет собой концептуальное схематическое изображение бимодальной наноструктурной системы покрытия по фиг.3, на котором выделены хрупкое состояние и пластичное состояние; и
фиг.5 представляет собой концептуальное схематическое изображение дополнительного варианта осуществления наноструктурной системы покрытия по настоящему изобретению, включающей множество наноразмерных керамических зерен и множество керамических зерен микронного размера, распределенных в коррозионно-стойком металлическом связующем.
Подробное описание изобретения
Как описано выше, в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах (превышающих приблизительно 1000°С). Наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления обеспечивают достижение данных улучшенных свойств, поскольку они сохраняют свою твердость, являются сравнительно ударновязкими и стойкими к окислению. В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения также разработаны наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления, обеспечивающие достижение повышенной эрозионной стойкости, коррозионной стойкости, стойкости к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационной стойкости при сравнительно низких температурах.
Как показано на фиг.1, жаропрочная система 10 покрытия по настоящему изобретению включает множество сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц 12, распределенных в относительно пластичной, стойкой к окислению основе 14. В используемом здесь смысле "относительно (сравнительно)" или "по существу" твердый означает твердость, которая, по меньшей мере, приблизительно на 20% больше твердости кварца (выше приблизительно 1200°HV), и "относительно (сравнительно)" или "по существу" пластичный означает наличие пластичности, которая меньше пластичности WC-Co. Стойкая к окислению основа 14 служит в качестве связующего материала и включает основу из металлического сплава с установленными характеристиками при высоких температурах (жаропрочными свойствами). Например, основа из металлического сплава включает сплав на никелевой основе (такой как специальный сплав на никелевой основе, NiCr, NiCrAlY или т.п.), сплав на кобальтовой основе (такой как L605, HS188, CoCrAlY или т.п.), интерметаллическую систему (такую как NiAl, Ni3Al или т.п.) или сплав с памятью формы, который поглощает энергию удара посредством мартенситного превращения. Как правило, связующий материал включает, например, металл, сплав, суперсплав, сплав для твердой пайки, многофазный сплав, низкотемпературный сплав, жаропрочный сплав (предназначенный для использования при температурах, превышающих приблизительно 700°С), интерметаллический материал, полупроводниковый металл или керамический материал. Суперсплав (специальный сплав) может включать в себя суперсплав на никелевой основе, суперсплав на кобальтовой основе или суперсплав на основе железа. Сплав для твердой пайки может включать в себя никелевый сплав или кобальтовый сплав и хром, вольфрам, бор или кремний. Многофазный сплав может включать в себя сплав, имеющий формулу MCrAlY, где М означает никель, кобальт, железо или их соответствующую комбинацию. К соответствующим примерам относятся NiCrAlY, CoNiCrAlY, CoCrAlY и FeCrAlY, но соответствующие примеры не ограничены вышеуказанными, при этом содержание Cr находится в диапазоне от приблизительно 20% до приблизительно 35%; содержание Al находится в диапазоне от приблизительно 8% до приблизительно 12%, содержание Y составляет менее приблизительно 2%, и Ni, Co и/или Fe составляют остальное. К низкотемпературным сплавам относятся, например, аустенитная нержавеющая сталь, ферритная нержавеющая сталь, сплав на алюминиевой основе, сплав на кобальтовой основе или сплав на титановой основе. К интерметаллическим материалам относятся, например, алюминид никеля, триникельалюминид, алюминид титана, трититаналюминид, пентаниобийтрисилицид, дисилицид ниобия или триниобийсилицид. К полупроводниковым металлам относится, например, кремний. К керамическим материалам относится, например, пластичный керамический оксид, такой как диоксид титана. Связующий материал может включать ничтожные количества смачивающей добавки, такой как титан, магний, кислород, железо, никель, хром или т.п. Предпочтительно связующий материал остается стабильным в температурном интервале от приблизительно 500°С до приблизительно 1150°С.
Наноразмерные керамические частицы 12 могут принимать форму множества наночастиц, нановолокон, нанотрубок, нанотетраподов или т.п. Наноразмерные керамические частицы 12 могут включать оксид алюминия, оксид циркония, оксид иттрия, гранат на иттриевой основе, муллит, оксид гафния или соответствующую комбинацию их. Как правило, наноразмерные керамические частицы 12 могут включать керамический оксид, керамический карбид, керамический нитрид, керамический борид, силицид металла, керамический оксикарбид, керамический оксинитрид, углерод (такой как алмаз) или т.п. К керамическим оксидам относятся, например, оксид металла, оксид полупроводникового материала или смешанный оксид. К оксидам металлов относятся, например, оксид редкоземельного металла, оксид жаропрочного металла, жаропрочный оксид или оксид химически активного металла. К полупроводниковым оксидам относится, например, оксид кремния. К смешанным оксидам относятся, например, оксид иттрия и алюминия, оксид иттрия и железа, силикат циркония, диоксид циркония, стабилизированный оксидом кальция, диоксид циркония, стабилизированный оксидом церия, диоксид циркония, стабилизированный оксидом магния, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, муллит, гранат, титанат металла, лантанат металла, цирконат металла или силикат металла. К металлу титаната металла, лантаната металла, цирконата металла или силиката металла могут относиться алюминий, магний или цирконий. К оксидам редкоземельных металлов относится, например, оксид, содержащий лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций, скандий или иттрий. К оксидам жаропрочных металлов относится, например, оксид, содержащий цирконий, гафний, хром, молибден, ниобий, рений, тантал, вольфрам или ванадий. К жаропрочным оксидам относится, например, оксид, содержащий алюминий, магний или кальций. К оксидам химически активных металлов относится, например, оксид, содержащий титан, никель, кобальт или железо. К керамическим карбидам относится, например, карбид металла или карбид полупроводникового материала. К карбидам металлов относится, например, карбид, содержащий хром, ниобий, гафний, тантал, титан, молибден, бор или вольфрам. К карбидам полупроводниковых материалов относится, например, карбид, содержащий кремний. К керамическим нитридам относится, например, нитрид, содержащий алюминий, хром, ниобий, кремний, бор, цирконий или титан. К керамическим боридам относится, например, борид, содержащий диборид титана или диборид циркония. К силицидам металлов относится, например, силицид, содержащий хром, молибден, тантал, титан, вольфрам или цирконий. Наноразмерные керамические частицы 12 могут также включать промышленно изготавливаемый карбид вольфрама, модифицированный посредством добавления хрома, что повышает его эрозионную стойкость, как описано ниже более подробно.
Сравнительно твердые, хрупкие наноразмерные частицы 12 распределяют в относительно пластичной, стойкой к окислению основе 14 путем использования, например, устройства для механического измельчения, такого как устройство для механического легирования, высокоэнергетическое шаровое измельчающее устройство, реактивное шаровое измельчающее устройство или устройство для измельчения в замороженном состоянии. Как правило, порошкообразный связующий материал и керамические частицы смешивают до однородного состояния с целью образования материала в виде макрочастиц, который термически напыляют или припаивают. Альтернативно керамические частицы переводят во взвешенное состояние в ванне для нанесения гальванических покрытий и обеспечивают их электролитический захват для образования композиционного покрытия посредством процесса нанесения покрытия в резервуаре или нанесения покрытия натиранием. Керамические частицы также могут быть переведены во взвешенное состояние в ванне для нанесения покрытий химическим способом и могут быть захвачены для образования композиционного покрытия. В завершение, как описано выше, порошкообразный связующий материал и керамические частицы могут быть спрессованы вместе для образования одного или нескольких композиционных слитков и подвергнуты испарению в процессе электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы для образования наночастиц в связующей основе.
Вредных взаимодействий между основой из металлического сплава и наноразмерными керамическими частицами 12 избегают за счет выбора комбинаций оксидов металлов, которые вряд ли приведут к нежелательным реакциям. Комбинацию оксидов металлов также выбирают так, чтобы она была несмешиваемой с основой из металлического сплава. В отличие от карбидов и нитридов хорошо подобранные комбинации оксидов металлов являются термодинамически более стабильными, чем их аналоги в виде металлических сплавов, и не будут растворяться в основе из металлического сплава, что обеспечивает сохранение пластичности основы из металлического сплава.
К ключевым микроструктурным факторам при достижении повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при повышенных температурах относятся объемная доля керамической фазы, размер зерна керамических частиц и средняя свободная траектория в основе из металлического сплава. В частности, износостойкость зависит от твердости (Н) и трещиностойкости (Кс). Твердость зависит от среднего свободного промежутка (расстояния) между керамическими частицами (λ-1/2), и трещиностойкость зависит от размера зерна керамических частиц и среднего свободного промежутка между керамическими частицами (d/λ). Зависимость между d/λ и трещиностойкостью как для нанорежима, так и для микронного режима проиллюстрирована на фиг.2. По мере уменьшения размера зерна керамических частиц (d) концентрация напряжений, связанная с керамической частицей, заделанной в основу из металлического сплава, уменьшается и более быстро "воспринимается" вязкой, пластичной основой. Предпочтительно основа из металлического сплава свободна от придающих хрупкость растворенных фаз.
Если снова обратиться к фиг.1, то можно отметить, что содержание керамической фазы в объемных процентах предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 95%, и размер или диаметр 16 наноразмерных керамических частиц 12 находится в диапазоне от приблизительно 5 нм до приблизительно 250 нм. В результате средняя величина свободного промежутка 18 между диспергированными наноразмерными керамическими частицами 12 составляет порядка приблизительно 200 нм или менее, предпочтительно порядка приблизительно 100 нм или менее. Это гарантирует твердость получающейся в результате системы 10 покрытия при высоких температурах. Соответствующая ударная вязкость обеспечивается наноразмером сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частиц 12, что ограничивает размеры зарождающихся трещин наноразмерами при сохранении пластичности, присущей основе из металлического сплава.
Для обеспечения повышенной стойкости к окислению системы 10 покрытия по настоящему изобретению, находящейся при температуре свыше приблизительно 1000°С, основу из металлического сплава выбирают из MCrAlY, L605, HS188, алюминидов (Ni или Ti) или т.п. Для промежуточных температур (ниже приблизительно 850°С) основу из металлического сплава выбирают из Triballoy 800, NiCrBSi, Ni20%Cr5%Al, Ni20%Cr или т.п. Однако для среднего специалиста в данной области техники очевидно, что могут быть использованы другие пригодные материалы.
Система 10 покрытия демонстрирует как высокую твердость, так и высокую ударную вязкость, обеспечивая повышенную износостойкость. Поскольку диспергированные наноразмерные керамические частицы 12 имеют сравнительно низкое химическое сродство по отношению к металлическим сопряженным (противолежащим) поверхностям, система 10 покрытия демонстрирует также повышенную стойкость к коррозионному истиранию. Это в особенности справедливо в условиях контакта при высоком давлении, если используется соответствующая основа из металлического сплава на кобальтовой основе или т.п., такая как triballoy или L605. Наноразмеры наноразмерных керамических частиц 12 гарантируют то, что при наличии контакта под высоким давлением с материалом сопряженной поверхности относительно твердые, хрупкие наноразмерные керамические частицы 12 не способны проникать в материал сопряженной поверхности для того, чтобы вызвать экстенсивное образование задиров. Таким образом, наноразмеры наноразмерных керамических частиц 12 обеспечивают минимизацию износа сопряженной поверхности.
В условиях эрозии даже системы покрытий, включающие в себя преимущественно твердые, хрупкие составляющие, могут повести себя как пластичные системы, если размеры микроструктурных элементов твердых, хрупких составляющих будут существенно меньше размера соответствующей лунки, образующейся в результате удара. Однако пластичная "ответная реакция" в значительной степени ограничена вследствие наличия твердых, хрупких составляющих. При таких условиях интенсивность эрозии уменьшается с уменьшением среднего свободного промежутка между твердыми, хрупкими составляющими. Наноразмеры наноразмерных керамических частиц 12 и средний свободный промежуток 18 по настоящему изобретению позволяют достичь повышенной эрозионной стойкости.
Как показано на фиг.3 и 4, множество сравнительно твердых, хрупких керамических частиц 20 микронного размера также может быть распределено в основе из металлического сплава в двухвидовом варианте осуществления настоящего изобретения для обеспечения повышенной износостойкости, эрозионной стойкости, стойкости к коррозионному истиранию и прочности при сравнительно высоких и сравнительно низких температурах. Бимодальная система 30 покрытия включает хрупкую 32 систему, испытывающую только умеренный износ при повышенных температурах, и пластичную 34 систему, испытывающую только небольшой износ при повышенных температурах. Предпочтительно керамические частицы 20 микронного размера имеют размер или диаметр, не превышающий приблизительно 1 микрона. Что касается хрупкой 32 системы, то любые трещины, имеющиеся в относительно твердых, хрупких керамических частицах 20 микронного размера, "притупляются" за счет сравнительно пластичной основы из металлического сплава. Как описано выше, что касается пластичной 34 системы, то трещины в сравнительно твердых, хрупких наноразмерных керамических частицах 12 предотвращаются, и пластичная деформация основы из металлического сплава в значительной степени ограничена, что приводит к повышенной износостойкости. В частности, наноразмерные керамические частицы 12 обеспечивают повышенную твердость при повышенных температурах за счет того, что они действуют как препятствие по отношению к перемещению дислокаций, тем самым ограничивая деформацию основы из металлического сплава. Зарождение трещин маловероятно, поскольку хрупкие керамические частицы имеют наноразмеры, и распространение трещин маловероятно, поскольку сложная спроектированная микроструктура делает траектории распространения извилистыми.
Керамические частицы 20 микронного размера могут включать в себя оксид алюминия, оксид циркония, оксид иттрия, гранат на иттриевой основе, муллит, оксид гафния или соответствующую комбинацию их. Как правило, керамические частицы 20 микронного размера могут включать керамический оксид, керамический карбид, керамический нитрид, керамический борид, силицид металла, керамический оксикарбид, керамический оксинитрид, углерод (такой как алмаз) или т.п. К керамическим оксидам относятся, например, оксид металла, полупроводниковый оксид или смешанный оксид. К оксидам металлов относятся, например, оксид редкоземельного металла, оксид жаропрочного металла, жаропрочный оксид или оксид химически активного металла. К полупроводниковым оксидам относится, например, оксид кремния. К смешанным оксидам относятся, например, оксид иттрия и алюминия, оксид иттрия и железа, силикат циркония, диоксид циркония, стабилизированный оксидом кальция, диоксид циркония, стабилизированный оксидом церия, диоксид циркония, стабилизированный оксидом магния, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, муллит, гранат, титанат металла, лантанат металла, цирконат металла или силикат металла. К металлу титаната металла, лантаната металла, цирконата металла или силиката металла могут относиться алюминий, магний или цирконий. К оксидам редкоземельных металлов относится, например, оксид, содержащий лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций, скандий или иттрий. К оксидам жаропрочных металлов относится, например, оксид, содержащий цирконий, гафний, хром, молибден, ниобий, рений, тантал, вольфрам или ванадий. К жаропрочным оксидам относится, например, оксид, содержащий алюминий, магний или кальций. К оксидам химически активных металлов относится, например, оксид, содержащий титан, никель, кобальт или железо. К керамическим карбидам относятся, например, карбид металла или карбид полупроводникового материала. К карбидам металлов относится, например, карбид, содержащий хром, ниобий, гафний, тантал, титан, молибден, бор или вольфрам. К полупроводниковым карбидам относится, например, карбид, содержащий кремний. К керамическим нитридам относится например, нитрид, содержащий алюминий, хром, ниобий, кремний, бор, цирконий или титан. К керамическим боридам относится, например, борид, содержащий диборид титана или диборид циркония. К силицидам металлов относится, например, силицид, содержащий хром, молибден, тантал, титан, вольфрам или цирконий.
Наноструктурные системы 10, 30 покрытий по настоящему изобретению осаждают на компоненте, состоящем из материала субстрата, посредством термического напыления, нанесения гальванических композиционных покрытий (осаждения покрытия электрохимическим методом или химическим путем), нанесения композиционного покрытия натиранием, электронно-лучевого - физического осаждения из паровой фазы, формования напылением, механического легирования с последующей спрессовкой порошков, смешивания с твердым припоем и нанесения посредством процесса пайки твердым припоем, напыления и оплавления, лазерного переплава или любого другого традиционного способа. В том случае, если требуется покрытие очень большой толщины, комбинацию оксидов металлов по настоящему изобретению наносят с помощью процесса напыления и оплавления и затем впоследствии снова нагревают для сплавления основы из металлического сплава. Система покрытия по настоящему изобретению также может быть синтезирована в структуру такого типа, которая поддается термическому напылению, посредством агломерирования и спекания или механического легирования с последующим агломерированием до заданных размеров. Парциальное давление кислорода регулируют во время синтеза порошка для достижения заданной повышенной адгезии оксидов металлов. К пригодным устройствам/процессам термического напыления относятся процессы HVOF и HVAF, воздушно-плазменные процессы, процессы с плазмой низкого давления и т.п.
К спроектированным компонентам, в которых используются наноструктурные системы 10, 30 покрытий по настоящему изобретению, относятся те, которые связаны с газовыми турбинами, турбинами гидроэлектростанций, авиационными двигателями, двигателями внутреннего сгорания и т.п. Например, к спроектированным компонентам может относиться направляющая лопатка, планшайба, игольчатый клапан или седло игольчатого клапана, вал, уплотнение подшипника, лопатка компрессора, уплотнение, рабочее колесо, лопасть крыльчатки в центробежном насосе, лопасть крыльчатки в центробежном компрессоре, уплотнения между ступенями, уплотнение в поршневом штоке, поршневое кольцо, лопасть вентилятора, компрессор, подвергающаяся истиранию периферия в паровой турбине, подвергающаяся истиранию периферия в газовой турбине, лабиринтное уплотнение, уплотнение с газовым трактом в диске, выпускной клапан в двигателе внутреннего сгорания, щеточное уплотнение, крыльчатка турбокомпрессора в двигателе внутреннего сгорания, шатун в двигателе внутреннего сгорания, манжетное уплотнение между ступенями, движущиеся детали в камере сгорания, покрытие лопаток задней ступени турбины высокого давления, покрытие лопаток турбины низкого давления, интерлок с z-образной канавкой, опора форсажной камеры, заслонка выпускного клапана, режущий инструмент и т.п.
Как показано на фиг.5, что касается сравнительно низкотемпературных применений в турбинах гидроэлектростанций, то в них используются системы покрытий с термически напыленным карбидом вольфрама для защиты компонентов от износа, эрозии и истирания. Однако подобные повреждения, как правило, возникают из-за комбинации эрозии под воздействием твердых частиц, коррозии, разрушения при ударе твердыми частицами и кавитации. Для противодействия комбинированному воздействию эрозии и коррозии хром часто добавляют в связующий материал на основе кобальта, который содержит множество зерен WC микронного размера. Тем не менее, низкотемпературная наноструктурная система 40 покрытия по настоящему изобретению позволяет повысить эрозионную стойкость и ударную вязкость, присущие данным традиционным низкотемпературным системам покрытий, при одновременном сохранении их коррозионной стойкости.
Как описано выше, низкотемпературная наноструктурная система 40 покрытия по настоящему изобретению включает множество наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама и, возможно, зерна 44 карбида вольфрама микронного размера, распределенные в коррозионно-стойком связующем или основе 46 из CoCr. Использование наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама гарантирует избежание микрорастрескивания зерен WC и уменьшение среднего расстояния 48 между зернами WC, что обеспечивает повышение эрозионной стойкости системы 40 покрытия. Использование зерен 44 карбида вольфрама микронного размера обеспечивает повышение эрозионной стойкости системы 40 покрытия при сравнительно плоских углах и приводит к тому, что траектории распространения [трещин] в связующем материале 46 из CoCr будут извилистыми. Использование наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама при сравнительно небольшом среднем свободном расстоянии (промежутке) 48 обеспечивает повышение общей ударной вязкости системы 40 покрытия, что позволяет иметь меньшее содержание CoCr. Использование наноразмерных зерен 42 карбида вольфрама при сравнительно небольшом среднем свободном промежутке 48 также обеспечивает повышение ударной вязкости связующего материала 46 из CoCr в ситуациях, когда связующий материал 46 из CoCr включает растворенные фазы, что делает связующий материал 46 из CoCr менее пластичным. Альтернативно связующий материал 46 из CoCr может быть заменен другими металлическими элементами, такими как никель, нержавеющая сталь, нержавеющая сталь, легированная кобальтом, сплав на основе железа, аморфный материал и/или сплав с памятью формы, который поглощает энергию удара посредством мартенситного превращения. Аналогичным образом наноразмерные зерна 42 карбида вольфрама могут быть заменены карбидом титана, диборидом титана, нитридом титанового сплава, карбидом бора, кубическим нитридом бора, карбидом кремния, нитридом кремния, алмазом или оксидом, таким как Al2O3 или т.п. Эти альтернативные частицы могут обладать большей твердостью и/или ударной вязкостью по сравнению с частицами карбида вольфрама и меньшей массой (быть более легкими). К другим возможным комбинациям относятся сплавы основ, которые имеют наночастицы, которые выделяются из легированного материала основы, такие как gamma prime или карбид. Возможно, данные наночастицы выделяются во время процесса нанесения покрытия в горячем состоянии из таких материалов, как аморфный легированный исходный материал. Аморфный материал обеспечивает получение прочного материала основы благодаря отсутствию в нем дислокаций и межзеренных границ и может быть использован для образования малых наноразмерных зерен для разрушения дислокаций и обеспечения повышенной прочности.
Типовое содержание CoCr в промышленно изготавливаемых, термически напыляемых порошках WC-CoCr составляет приблизительно 10 мас.% Co и приблизительно 4 мас.% Cr. Содержание CoCr в системе 40 покрытия по настоящему изобретению находится в диапазоне от приблизительно 6 мас.% (приблизительно 4 мас.% Co и приблизительно 2 мас.% Cr) до приблизительно 14 мас.% (до приблизительно 5 мас.% Cr, при этом остальное - с содержанием Co до приблизительно 9 мас.%). Как правило, системы покрытий с меньшим содержанием металлического связующего материала имеют лучшую эрозионную стойкость при сравнительно плоских углах удара, но являются сравнительно хрупкими и демонстрируют низкую эрозионную стойкость при сравнительно больших углах удара, а также низкую трещиностойкость. Использование наноразмерных частиц 42 карбида вольфрама и меньшего содержания CoCr позволяет уменьшить средний свободный промежуток между зернами WC, что обеспечивает повышение ударной вязкости, присущей системе 40 покрытия, и повышение ее эрозионной стойкости. Предпочтительно наноразмерные зерна 42 карбида вольфрама имеют размер или диаметр 50 в диапазоне от приблизительно 10 нм до приблизительно 250 нм.
Если требуется, использование зерен 44 карбида вольфрама микронного размера, которые предпочтительно имеют размер или диаметр в диапазоне от приблизительно 0,5 микрона до приблизительно 2 микрон, обеспечивает эрозионную стойкость системы 40 покрытия при сравнительно малых (плоских) углах удара, и в том случае, если микротрещина образуется в связующем материале 46 из CoCr, она будет распространяться по извилистой траектории, поскольку трещине придется отклоняться вокруг зерен 44 карбида вольфрама, имеющих микронные размеры. Предпочтительно среднее расстояние 48 между зернами WC составляет от приблизительно 50 нм до приблизительно 500 нм, более предпочтительно - от приблизительно 50 нм до приблизительно 250 нм. Предпочтительно общее содержание зерен WC в объемных процентах составляет от приблизительно 5% до приблизительно 95%, более предпочтительно - от приблизительно 50% до приблизительно 95% (при этом приблизительно 70% от общего содержания в объемных процентах составляют наноразмерные зерна 42 карбида вольфрама и приблизительно 30% от общего содержания в объемных процентах составляют зерна 44 карбида вольфрама, имеющие микронные размеры). Если используются никель, нержавеющая сталь и/или нержавеющая сталь, легированная кобальтом, их общее содержание в объемных процентах предпочтительно составляет менее приблизительно 20%.
Хром в связующем материале 46 из CoCr служит двум важным целям. Во-первых, хром повышает общую коррозионную стойкость системы 40 покрытия. Во-вторых, хром ограничивает растворение первичного WC во время процесса напыления и обеспечивает большее сохранение первичной фазы WC, что повышает эрозионную стойкость системы 40 покрытия.
Низкотемпературную наноструктурную систему 40 покрытия по настоящему изобретению осаждают на компоненте, состоящем из субстрата (основы), путем использования любого обычного процесса термического напыления, предпочтительно процесса HVOF или HVAF, или процесса холодного напыления. Субстрат включает, например, сплав на магниевой, алюминиевой, медной, железной, никелевой или кобальтовой основе. Ключевой фактор, который следует принимать во внимание при использовании процессов термического напыления, - это оптимизация условий напыления для ограничения растворения WC во время процесса осаждения, обеспечения соответствующего сохранения фазы WC и уменьшения образования эта-фазы в связующем материале. Система 40 покрытия также может быть осаждена на компоненте посредством смешивания порошка WC-CoCr с основой сплава для твердой пайки и напайки смеси на поверхность посредством процесса пайки с твердым припоем в виде ленты или посредством нанесения покрытия в виде суспензии и обжига. Порошок WC-CoCr смешивают с композицией, такой как NiCrBSi, осаждают с помощью горелки для распыления при сгорании и впоследствии расплавляют, или его смешивают с флюсом с более низкой температурой плавления или любым другим сплавом для пайки твердым припоем и расплавляют, используя лазер или т.п. Соотношение количества сплава для пайки твердым припоем и порошка WC-CoCr оптимизируют для гарантирования того, что смеси обеспечат надлежащую эрозионную стойкость.
Несмотря на то что настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления и их примеры, для средних специалистов в данной области техники будет очевидно, что другие варианты осуществления и примеры могут обеспечить выполнение аналогичных функций и/или достижение аналогичных результатов. Все подобные эквивалентные варианты осуществления и примеры находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, и предусмотрено, что они охватываются нижеприведенной формулой изобретения.

Claims (14)

1. Жаропрочная система (10) покрытия, содержащая, по существу, пластичную основу (14) из связующего материала; и множество, по существу, твердых наноразмерных керамических частиц (12), распределенных в, по существу, пластичной основе (14) из связующего материала, при этом средний свободный промежуток между множеством, по существу, твердых наноразмерных керамических частиц (12) имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров.
2. Система покрытия по п.1, в которой каждая из множества наноразмерных керамических частиц (12) имеет размер в диапазоне от приблизительно 5 нм до приблизительно 200 нм.
3. Система покрытия по п.1, в которой средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц (12) составляет менее приблизительно 200 нм.
4. Система покрытия по п.3, в которой средний свободный промежуток между множеством наноразмерных керамических частиц (12) составляет менее приблизительно 100 нм.
5. Система покрытия по п.1, в которой объемный процент множества наноразмерных керамических частиц (12) находится в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 95%.
6. Система покрытия по п.1, в которой множество наноразмерных керамических частиц (12) включает множество частиц, выбранных из группы, состоящей из наночастиц, нановолокон, нанотрубок, нанотетраподов и их комбинаций.
7. Система покрытия по п.1, в которой множество наноразмерных керамических частиц (12) содержит, по меньшей мере, один из керамического оксида, керамического карбида, керамического нитрида, керамического борида, силицида металла, керамического оксикарбида, керамического оксинитрида и углерода.
8. Система покрытия по п.1, в которой связующая основа (14) содержит, по меньшей мере, один из металла, сплава, суперсплава, сплава для твердой пайки, многофазного сплава, низкотемпературного сплава, жаропрочного сплава, интерметаллического материала, полупроводникового металла, керамического материала и сплава с памятью формы.
9. Система покрытия по п.1, в которой связующая основа (14) содержит смачивающую добавку.
10. Система покрытия по п.1, дополнительно содержащая множество, по существу, твердых керамических частиц (20) микронного размера, распределенных в, по существу, пластичной основе (14) из связующего материала.
11. Система покрытия по п.10, в которой каждая из множества керамических частиц (20) микронного размера имеет размер, равный или меньший приблизительно 1 мкм.
12. Система покрытия по п.10, в которой объемный процент множества наноразмерных керамических частиц (12) и множества керамических частиц (20) микронного размера находится в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 95%.
13. Система покрытия по п.10, в которой множество керамических частиц (20) микронного размера содержит, по меньшей мере, один из керамического оксида, керамического карбида, керамического нитрида, керамического борида, силицида металла, керамического оксикарбида, керамического оксинитрида и углерода.
14. Система покрытия по п.1, которая расположена на поверхности спроектированного компонента, выбранного из группы, состоящей из компонента газовой турбины, компонента авиационного двигателя, компонента двигателя внутреннего сгорания и компонента режущего инструмента.
RU2006114768/02A 2003-09-29 2004-09-21 Наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления RU2352686C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US67469103A 2003-09-29 2003-09-29
US10/674,691 2003-09-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006114768A RU2006114768A (ru) 2007-11-10
RU2352686C2 true RU2352686C2 (ru) 2009-04-20

Family

ID=34676985

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006114768/02A RU2352686C2 (ru) 2003-09-29 2004-09-21 Наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP1670970A1 (ru)
JP (1) JP2007507604A (ru)
CN (1) CN1886535A (ru)
RU (1) RU2352686C2 (ru)
WO (1) WO2005056879A1 (ru)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014084754A1 (ru) * 2012-11-29 2014-06-05 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Защитных Покрытий-Урал" Плунжер насоса высокого давления
RU2569871C1 (ru) * 2014-07-01 2015-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") Устройство для формирования на поверхности полых деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы
RU2576948C1 (ru) * 2014-10-15 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Вентиляторная градирня
RU2583222C1 (ru) * 2014-12-30 2016-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы
RU2588962C2 (ru) * 2014-09-17 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "УдГУ") Способ нанесения окисно-металлических покрытий на поверхность нелегированной стали
RU168315U1 (ru) * 2016-03-15 2017-01-30 Общество с ограниченной ответственностью "Центр защитных покрытий - Урал" Плунжер насоса высокого давления
RU2614226C1 (ru) * 2015-10-05 2017-03-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-гафний с высокотемпературным эффектом памяти формы на стали

Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1645538A1 (de) * 2004-10-05 2006-04-12 Siemens Aktiengesellschaft Materialzusammensetzung für die Herstellung einer Beschichtung für ein Bauteil aus einem metallischen Basismaterial und beschichtetes metallisches Bauteil
DE102005062225B3 (de) * 2005-12-21 2007-06-21 Siemens Ag Legierungsprodukt vom MCrAIX-Typ und Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus diesem Legierungsprodukt
DE102006008027B3 (de) * 2006-02-16 2007-09-06 Siemens Ag Bauteil mit einer nanoskalige Strukturelemente aufweisenden Schicht und Verfahren zur Herstellung dieser Schicht
US7776459B2 (en) * 2006-08-18 2010-08-17 United Technologies Corporation High sodium containing thermal barrier coating
JP2008138242A (ja) * 2006-11-30 2008-06-19 General Electric Co <Ge> 耐摩耗コーティングと該耐磨耗コーティングを有する物品
DE102008014800B3 (de) * 2008-03-18 2009-08-20 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dispersionsgehärteten Gegenstandes, der Carbid-Nanopartikel enthält
US20100226783A1 (en) * 2009-03-06 2010-09-09 General Electric Company Erosion and Corrosion Resistant Turbine Compressor Airfoil and Method of Making the Same
DE102009013855A1 (de) * 2009-03-19 2010-09-23 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements und Gleitelement, insbesondere Kolbenring
DE102009043370A1 (de) * 2009-09-29 2011-04-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Bauteil mit magnetisch überwachbarer Schutzschicht und Verfahren zum Betreiben eines Bauteils
US8261444B2 (en) 2009-10-07 2012-09-11 General Electric Company Turbine rotor fabrication using cold spraying
JP5578893B2 (ja) 2010-03-12 2014-08-27 株式会社日立製作所 蒸気タービンの摺動部を有する部材
KR101249952B1 (ko) * 2010-12-20 2013-04-03 대림대학교산학협력단 에르븀이 첨가된 이산화티타늄 나노섬유의 제조방법
CN102731061B (zh) * 2011-04-15 2014-05-21 上海工程技术大学 一种陶瓷器物制作方法
US8475882B2 (en) 2011-10-19 2013-07-02 General Electric Company Titanium aluminide application process and article with titanium aluminide surface
CN102517577B (zh) * 2012-01-12 2013-06-19 山推工程机械股份有限公司 活塞环涂层用复合材料、活塞环涂层及其制备方法
US20130180432A1 (en) * 2012-01-18 2013-07-18 General Electric Company Coating, a turbine component, and a process of fabricating a turbine component
US20130186304A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 General Electric Company Process of fabricating a thermal barrier coating and an article having a cold sprayed thermal barrier coating
US9496458B2 (en) * 2012-06-08 2016-11-15 Cree, Inc. Semiconductor light emitting diodes with crack-tolerant barrier structures and methods of fabricating the same
CN103572277A (zh) * 2012-07-26 2014-02-12 北京赛亿科技股份有限公司 纳米陶瓷基耐高温耐磨蚀自洁复合涂层
US9511436B2 (en) 2013-11-08 2016-12-06 General Electric Company Composite composition for turbine blade tips, related articles, and methods
US10508059B2 (en) 2013-12-12 2019-12-17 General Electric Company Method of depositing abradable coatings under polymer gels
EP3154714A4 (en) * 2014-06-16 2017-12-20 Sikorsky Aircraft Corporation Coating and surface repair method
CN104264096A (zh) * 2014-09-11 2015-01-07 芜湖鼎瀚再制造技术有限公司 一种Ni60B-Al2O3纳米涂层及其制备方法
JP6319663B2 (ja) 2014-11-11 2018-05-09 三菱重工業株式会社 エロージョン試験装置、および、エロージョン試験方法
CN104658514B (zh) * 2015-03-11 2017-11-21 湖南城市学院 一种长寿命琵琶弦
CN105322041A (zh) * 2015-06-19 2016-02-10 常州天合光伏焊带材料有限公司 一种高抗氧化性铜带
EP3314037A4 (en) * 2015-06-29 2019-01-30 Oerlikon Metco (US) Inc. METHOD AND COMPOSITIONS FOR COLD GAS SPRAY COATING
CN105063543A (zh) * 2015-08-13 2015-11-18 马鞍山蓝科再制造技术有限公司 一种隔热耐氧化热障涂层及其制作方法
CN107914005A (zh) * 2016-10-08 2018-04-17 北京联合涂层技术有限公司 一种高b耐磨熔焊材料的制备方法
CN108393648A (zh) * 2017-02-08 2018-08-14 通用电气公司 防止焊料进入孔内的塞堵材料及其方法
US10512989B2 (en) * 2017-02-21 2019-12-24 General Electric Company Weld filler metal
WO2018175526A1 (en) * 2017-03-23 2018-09-27 Northwestern University Surface hardening of substrates by a particle-containing cavitating waterjet
CN106929738B (zh) * 2017-04-13 2018-08-31 水利部杭州机械设计研究所 一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-碳化物复合涂层及其制备方法
JP6955890B2 (ja) * 2017-04-19 2021-10-27 株式会社本山製作所 安全弁並びにそれに用いるノズル及びジスク
CN107061298A (zh) * 2017-06-15 2017-08-18 宝志坚 一种纳米金属陶瓷脱硫浆液循环泵
CN107084152B (zh) * 2017-06-15 2019-12-20 北京华电泰锐科技有限公司 一种纳米金属陶瓷耐磨风机
US10808695B2 (en) 2017-12-11 2020-10-20 Hamilton Sundstrand Corporation Reduction of cavitation in fuel pumps
CN107989822A (zh) * 2017-12-29 2018-05-04 上海英佛曼纳米科技股份有限公司 一种具有高性能抗冲刷耐化学腐蚀耐磨损纳米涂层的热轧水循环泵叶轮
US11492298B2 (en) * 2018-07-31 2022-11-08 General Electric Company Silicon bond coat with columnar grains and methods of its formation
CN112899604A (zh) * 2021-01-18 2021-06-04 安徽工业大学 一种高温防护用NiCrBSi-ZrB2金属陶瓷粉末、复合涂层及其制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1004964A (en) * 1972-05-30 1977-02-08 Union Carbide Corporation Corrosion resistant coatings and process for making the same
JPS6299449A (ja) * 1985-10-25 1987-05-08 Showa Denko Kk クロムカ−バイト系溶射用粉末
JP2865419B2 (ja) * 1990-11-30 1999-03-08 日本ピストンリング株式会社 ピストンリング
EP0866885A4 (en) * 1995-11-13 2000-09-20 Univ Connecticut NANOSTRUCTURE PRODUCTS FOR HOT SPRAYING
EP1077271A1 (en) * 1999-08-16 2001-02-21 Praxair S.T. Technology, Inc. Chromium boride coatings
US6454992B1 (en) * 2000-09-29 2002-09-24 Ohio Aerospace Institute Oxidation resistant and low coefficient of thermal expansion NiA1-CoCrAly alloy
US6833203B2 (en) * 2002-08-05 2004-12-21 United Technologies Corporation Thermal barrier coating utilizing a dispersion strengthened metallic bond coat

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014084754A1 (ru) * 2012-11-29 2014-06-05 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Защитных Покрытий-Урал" Плунжер насоса высокого давления
RU2569871C1 (ru) * 2014-07-01 2015-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") Устройство для формирования на поверхности полых деталей наноструктурированных покрытий с эффектом памяти формы
RU2588962C2 (ru) * 2014-09-17 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "УдГУ") Способ нанесения окисно-металлических покрытий на поверхность нелегированной стали
RU2576948C1 (ru) * 2014-10-15 2016-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Вентиляторная градирня
RU2583222C1 (ru) * 2014-12-30 2016-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-цирконий с эффектом памяти формы
RU2614226C1 (ru) * 2015-10-05 2017-03-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ получения наноструктурированных покрытий титан-никель-гафний с высокотемпературным эффектом памяти формы на стали
RU168315U1 (ru) * 2016-03-15 2017-01-30 Общество с ограниченной ответственностью "Центр защитных покрытий - Урал" Плунжер насоса высокого давления

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005056879A1 (en) 2005-06-23
JP2007507604A (ja) 2007-03-29
EP1670970A1 (en) 2006-06-21
CN1886535A (zh) 2006-12-27
RU2006114768A (ru) 2007-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2352686C2 (ru) Наноструктурные системы покрытий, компоненты и соответствующие способы изготовления
US8047775B2 (en) Layer system for a component comprising a thermal barrier coating and metallic erosion-resistant layer, production process and method for operating a steam turbine
JP5147682B2 (ja) マトリックスおよび層系
KR102630007B1 (ko) 터빈 틈새 제어 코팅 및 방법
JP5124468B2 (ja) ストロンチウムチタン酸化物及びそれから製造された被削性コーティング
EP0919699B1 (en) Columnar zirconium oxide abrasive coating for a gas turbine engine seal system
JP5254538B2 (ja) ケイ化ニオブを基材とした高融点金属金属間化合物複合材及びその関連する物品
EP1865150A1 (en) Dysprosia stabilized zirconia abradable
US5507623A (en) Alloy-coated gas turbine blade and manufacturing method thereof
EP2309018B1 (en) Combustion turbine component having rare earth conicral coating and associated methods
JPS6136061B2 (ru)
EP2191031B1 (en) COMBUSTION TURBINE COMPONENT HAVING RARE EARTH NiCoCrAl COATING AND ASSOCIATED METHODS
EP2677063B1 (en) Erosion and corrosion resistant coatings for exhaust gas recirculation-based gas turbines
JPH09296702A (ja) 断熱被覆製品並びに被覆法
CN102732817B (zh) 用于形成氧化物弥散强化涂层的方法
EP2309019B1 (en) Method of deposition of metallic coatings using atomized spray
KR20080063449A (ko) 액체에 의해 부식되는 기관의 처리방법 및 부식방지 피복합금
CN101302103A (zh) 具有钆-混晶-烧绿石相和氧化物的陶瓷粉末,陶瓷层和层体系
EP2191032B1 (en) COMBUSTION TURBINE COMPONENT HAVING RARE EARTH FeCrAl COATING AND ASSOCIATED METHODS
Kaur et al. A survey of the literature on the use of high velocity oxy‐fuel spray technology for high temperature corrosion and erosion‐corrosion resistant coatings
EP2185741B1 (en) Combustion turbine component having rare earth nicrai coating and associated methods
JP2009235476A (ja) 高温シール用コーティング
CN114959542B (zh) 一种新型稀土钽酸盐/铂铱基合金热障涂层、制备方法及应用
Metco Thermal spray materials guide
JP7244667B2 (ja) 熱サイクル疲労と耐硫化性の優れたｔｂｃ用の高度なボンドコート材料

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090922