RU2402639C1 - Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys - Google Patents
Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2402639C1 RU2402639C1 RU2009111631/02A RU2009111631A RU2402639C1 RU 2402639 C1 RU2402639 C1 RU 2402639C1 RU 2009111631/02 A RU2009111631/02 A RU 2009111631/02A RU 2009111631 A RU2009111631 A RU 2009111631A RU 2402639 C1 RU2402639 C1 RU 2402639C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zro
- coating
- heat
- parts
- layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам получения комбинированных покрытий для защиты от окисления при высокой температуре металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении для защиты деталей от газовой и сульфидной коррозии.The invention relates to methods for producing combined coatings for protection against oxidation at high temperatures of metals and alloys and can be used in mechanical engineering to protect parts from gas and sulfide corrosion.
Известны способы нанесения конденсационных, диффузионных и теплозащитных покрытий, применяемых для обеспечения работоспособности деталей машиностроения, полученных методом электронно-лучевого напыления или плазменного осаждения на воздухе или в вакууме. Основными факторами, влияющими на долговечность теплозащитного покрытия, являются: жаростойкость металлического подслоя, структура и состав керамического слоя, соответствие коэффициентов термического расширения подслоя и керамики (см. Коломыцев П.Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов. - М.: Металлургия, 1984 г., 215 с.).Known methods for applying condensation, diffusion and heat-shielding coatings used to ensure the health of mechanical components obtained by electron beam spraying or plasma deposition in air or in vacuum. The main factors affecting the durability of a heat-insulating coating are: the heat resistance of the metal sublayer, the structure and composition of the ceramic layer, the correspondence of the thermal expansion coefficients of the sublayer and ceramics (see Kolomytsev P.T. Gas Corrosion and the Strength of Nickel Alloys. - M .: Metallurgy, 1984 215 p.).
Существенным недостатком диффузионных покрытий является их низкая стабильность и недолговечность при высоких температурах. Теплозащитные покрытия характеризуются более низкой теплопроводностью, но растрескиваются и отслаиваются при теплосменах под действием термомеханических нагрузок (см. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001 г., 620 с.).A significant drawback of diffusion coatings is their low stability and fragility at high temperatures. Thermal protective coatings are characterized by lower thermal conductivity, but crack and peel off during heat exchange under the influence of thermomechanical loads (see Abraimov N.V., Eliseev Yu.S. Chemical-thermal treatment of heat-resistant steels and alloys. - M .: Intermet Engineering, 2001. , 620 p.).
Электронно-лучевые керамики на основе диоксида циркония имеют высокую кислородопроницаемость (см. Жук И.Н., Коломыцев П.Т., Семенов А.П. Исследование эффективности применения теплозащитных покрытий. Защитные покрытия. Научно-методические материалы. - М. ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1994 г., стр.106-111).Zirconia-based electron beam ceramics have high oxygen permeability (see Zhuk I.N., Kolomytsev P.T., Semenov A.P. Study of the effectiveness of heat-protective coatings. Protective coatings. Scientific and methodological materials. - M. VVIA named after N.E. Zhukovsky, 1994, pp. 106-111).
Известен способ нанесения покрытия, включающий предварительную абразивно-жидкостную обработку, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуум-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония, стабилизированного 7-9% оксида иттрия (ZrO2-7Y2O3) и последующий вакуумный диффузионный и окислительный отжиг (патент на изобретение РФ №2078148). Покрытие, получаемое данным способом, должно иметь толщину до 300 мкм с целью получения достаточного теплоперепада по толщине покрытия, что приводит к снижению его служебных характеристик и не снижает кислородопроницаемости керамического слоя.A known method of coating, including preliminary abrasive-liquid treatment, applying a layer of heat-resistant coating of a nickel-based alloy by vacuum-plasma technology, applying a second layer of an aluminum-based alloy doped with nickel doped with 13-16% and yttrium 1.5-1, 8%, vacuum annealing and preparation before applying the third ceramic layer of zirconia stabilized with 7-9% yttrium oxide (ZrO 2 -7Y 2 O 3 ) and subsequent vacuum diffusion and oxidation annealing (RF patent No. 2078148). The coating obtained by this method should have a thickness of up to 300 μm in order to obtain sufficient heat transfer over the coating thickness, which leads to a decrease in its service characteristics and does not reduce the oxygen permeability of the ceramic layer.
Известен способ нанесения покрытия на детали, работающие при высоких температурах, включающий предварительную обработку поверхности детали, нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе никеля, нанесение второго слоя, содержащего алюминий. Затем проводят вакуумный диффузионный отжиг, подготовку поверхности под напыление третьего слоя покрытия из порошка ZrO2-Yb2O3 или смеси порошков ZrO2-Yb2O3 и ZrO2-Y2O3 (патент на изобретение РФ №2280095, опубл. 20.07.2006 г., бюл. №20).A known method of coating parts operating at high temperatures, including pre-processing the surface of the part, applying a first layer of a heat-resistant coating of an alloy based on nickel, applying a second layer containing aluminum. Then carry out vacuum diffusion annealing, surface preparation for spraying the third coating layer of ZrO 2 -Yb 2 O 3 powder or a mixture of ZrO 2 -Yb 2 O 3 and ZrO 2 -Y 2 O 3 powders (RF patent No. 2280095, publ. July 20, 2006, bull. No. 20).
Для нанесения покрытия используют порошок ZrO2+(2-5)%Y2O3+(3-4)%YbO3 (патент Японии 61-41757).For coating use powder ZrO 2 + (2-5)% Y 2 O 3 + (3-4)% YbO 3 (Japanese patent 61-41757).
Частичная замена в порошковой смеси иттрия на иттербий не повышает долговечность покрытия, а лишь снижает его стоимость.Partial replacement of yttrium with ytterbium in a powder mixture does not increase the durability of the coating, but only reduces its cost.
Известен способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий на основе композиции ZrO2+NiCr (патент на изобретение РФ №2283363, опубл. 10.09.2006 г., бюл. №25). В данном способе использование оксида кальция в качестве стабилизирующей добавки приводит к снижению теплостойкости композиции в целом, а введение порошка нихрома в порошки диоксида циркония повышают лишь эрозионную стойкость покрытия.A known method of producing erosion-resistant heat-resistant coatings based on the composition ZrO 2 + NiCr (patent for the invention of the Russian Federation No. 2283363, publ. 09/10/2006, bull. No. 25). In this method, the use of calcium oxide as a stabilizing additive reduces the heat resistance of the composition as a whole, and the introduction of nichrome powder into zirconia powders increases only the erosion resistance of the coating.
Наиболее близким техническим решением является способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин, включающий хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси, термовакуумную обработку путем закалки, после чего производят электронно-лучевое напыление на входные кромки лопаток слоя керамики ZrO2-8Y2O3 и последующего диффузионного отжига для окончательного формирования покрытия (см. патент на изобретение РФ №2272089, кл. С23С 28/00, опубл. 20.03.2006 г., бюл. №8), принятый за прототип.The closest technical solution is the method of applying a combined heat-resistant coating to turbine blades, which includes chromoalysis in vacuum in a powder mixture, thermal vacuum treatment by hardening, and then electron beam spraying is performed on the input edges of the blades of the ZrO 2 -8Y 2 O 3 ceramic layer and subsequent diffusion annealing for the final formation of the coating (see patent for the invention of the Russian Federation No. 2272089, class C23C 28/00, publ. March 20, 2006, bull. No. 8), adopted as a prototype.
Покрытие используется для защиты наружной поверхности рабочих лопаток ГТД от высокотемпературного окисления, работающих при более высоких температурах (1000-1180)°С.The coating is used to protect the outer surface of the GTE rotor blades from high-temperature oxidation, operating at higher temperatures (1000-1180) ° С.
Покрытие имеет состав, толщину и структуру, а следовательно, и свойства, соответствующие условиям работы, профилю защищаемой детали.The coating has a composition, thickness and structure, and therefore, properties corresponding to the working conditions, the profile of the protected part.
Покрытие, получаемое таким образом, обладает недостаточной долговечностью при температурах (1150-1200)°С и недостаточной долговечностью при сульфидной коррозии. Это объясняется тем, что керамическая составляющая комбинированного покрытия, нанесенная электронно-лучевым методом, обладая высокой термостойкостью, имеет высокую кислородопроницаемость, обусловленную ее структурой столбчатого строения.The coating obtained in this way has insufficient durability at temperatures (1150-1200) ° C and insufficient durability with sulfide corrosion. This is because the ceramic component of the combined coating deposited by the electron beam method, having high heat resistance, has high oxygen permeability due to its columnar structure.
При работе двигателя к сокращению долговечности покрытия приводят процессы образования солевых отложений на поверхности керамического слоя, заполнение отложениями солей пор и микротрещин, развитие химических реакций в структуре керамики. Эти реакции оказывают влияние на дестабилизацию диоксида циркония и вызывают образование неблагоприятного напряженного состояния в системе вследствие изменения фазового состава ZrO2, изменение пористости и проницаемости покрытия.When the engine is operating, the formation of salt deposits on the surface of the ceramic layer, the filling of pores with salts and microcracks, and the development of chemical reactions in the ceramic structure lead to a reduction in the durability of the coating. These reactions affect the destabilization of zirconium dioxide and cause the formation of an adverse stress state in the system due to a change in the phase composition of ZrO 2 and a change in the porosity and permeability of the coating.
Технической задачей изобретения является увеличение рабочих температур деталей машиностроения и повышение их долговечности в условиях газовой и сульфидной коррозии за счет применения комбинированного теплозащитного покрытия (ТЗП).An object of the invention is to increase the operating temperatures of engineering parts and increase their durability in conditions of gas and sulfide corrosion due to the use of combined heat-shielding coating (TZP).
Технический результат изобретения заключается в повышении долговечности и надежности деталей, работающих в условиях переменных термомеханических нагрузок и высокотемпературного окисления за счет нанесения комбинированного теплозащитного покрытия с изменяющимся в соответствии с условиями работы составом и структурой по профилю защищаемой детали и пониженной кислородопроницаемостью керамической составляющей покрытия.The technical result of the invention is to increase the durability and reliability of parts operating under conditions of variable thermomechanical loads and high temperature oxidation by applying a combined heat-shielding coating with a composition and structure that varies in accordance with the operating conditions along the profile of the protected part and low oxygen permeability of the ceramic component of the coating.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на детали из жаропрочных сплавов, включающем хромоалитирование в порошковой смеси, последующую термовакуумную обработку путем закалки, напыление слоя керамики ZrO2-8Y2O3 на детали электронно-лучевым методом и диффузионный отжиг для окончательного формирования структуры покрытия, перед диффузионным отжигом на слой керамики (ZrO2-8Y2O3) электронно-лучевым методом наносят слой керамики [ZrO2-11Y2O3-(12-25)Si] толщиной 10-15 мкм, а диффузионный отжиг проводят с формированием покрытия, состоящего из [ZrO2-11Y2O3-(12-25)Si]-(ZrO2-8Y2O3)-β+γ′-фазы.The essence of the invention lies in the fact that in the method of applying a combined heat-shielding coating to parts of heat-resistant alloys, including chromoalithization in a powder mixture, subsequent thermal vacuum treatment by hardening, spraying a ceramic layer of ZrO 2 -8Y 2 O 3 on the part by electron beam method and diffusion annealing for the final formation of the coating structure, before diffusion annealing, a ceramic layer of [ZrO 2 -11Y 2 O 3 - (12-25) Si] with a thickness of 10-15 μm is applied to the ceramic layer (ZrO 2 -8Y 2 O 3 ) by electron beam method, and diffusion about tzhig is carried out with the formation of a coating consisting of [ZrO 2 -11Y 2 O 3 - (12-25) Si] - (ZrO 2 -8Y 2 O 3 ) -β + γ′-phase.
Технический результат достигается за счет нового действия в нанесении комбинированного теплозащитного покрытия, а именно: нанесения электронно-лучевым методом на детали с керамическим слоем столбчатого строения состава ZrO2-8Y2O3 плотного слоя керамики [ZrO2-11Y2O3-(12-25)Si].The technical result is achieved due to a new action in applying a combined heat-shielding coating, namely: applying the electron beam method to parts with a ceramic layer of a columnar structure of ZrO 2 -8Y 2 O 3 of a dense ceramic layer [ZrO 2 -11Y 2 O 3 - (12 -25) Si].
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ существенно отличается от известного тем, что на покрытие состава ZrO2-8Y2O3-β+γ′-фаза дополнительно электронно-лучевым методом наносят плотный слой керамики состава ZrO2-11Y2O3-(12-25)Si. Последующий диффузионный отжиг формирует окончательный состав, структуру и свойства комбинированного теплозащитного покрытия.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method differs significantly from the known one in that a dense ceramic layer of the composition ZrO 2 -11Y 2 is additionally applied by electron-beam method to coating the ZrO 2 -8Y 2 O 3 -β + γ′-phase O 3 - (12-25) Si. Subsequent diffusion annealing forms the final composition, structure and properties of the combined heat-shielding coating.
На фиг.1 приведена зависимость изменения удельной массы образцов с покрытиями при изотермической выдержке при температуре 1100°С.Figure 1 shows the dependence of the change in the specific gravity of the samples with coatings at isothermal exposure at a temperature of 1100 ° C.
На фиг.2 приведена зависимость числа циклов испытаний до появления первой трещины в покрытии от состава покрытия.Figure 2 shows the dependence of the number of test cycles before the first crack in the coating on the composition of the coating.
На фиг.3 приведена микроструктура поверхности керамического слоя с добавками на основе кремния (вид сбоку при 15° от горизонтали, увеличение 2000).Figure 3 shows the microstructure of the surface of the ceramic layer with additives based on silicon (side view at 15 ° from the horizontal, magnification 2000).
Пример конкретного выполнения (оптимальный)An example of a specific implementation (optimal)
Способ нанесения комбинированного покрытия реализован следующим способом. Покрытие наносят на детали, изготовленные из жаропрочного сплава. Хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси вели при температуре процесса, равной 1190°С, продолжительностью процесса 1 ч 30 мин. Толщина получаемого покрытия 70-80 мкм. Порошковая смесь содержит 13% алюминия, 37% хрома, 50% окиси алюминия. Затем детали с покрытием подвергались термовакуумной обработке (ТВО) путем закалки - температура 1240°С, продолжительностью 1 ч 45 мин. В процессе ТВО происходит формирование оптимальной структуры и свойств покрытия. На участки деталей, работающих в условиях высокотемпературного окисления, электронно-лучевым методом дополнительно наносили слой системы ZrO2-8Y2O3 столбчатой структуры. На слой покрытия ZrO2-8Y2O3 электронно-лучевым методом наносили плотный слой керамики толщиной 10-15 мкм состава ZrO2-11Y2O3-(12-25)Si. Толщина керамического слоя составляет 80-95 мкм. Все керамические слои наносили на промышленной установке УЭ-175. В процессе последующего диффузионного отжига при температуре 850°С и продолжительности 32 часа формируется окончательный состав покрытия.The method of applying a combined coating is implemented as follows. The coating is applied to parts made of heat-resistant alloy. Chromoalysis in vacuum in a powder mixture was carried out at a process temperature of 1190 ° C, a duration of 1 h 30 min. The thickness of the resulting coating is 70-80 microns. The powder mixture contains 13% aluminum, 37% chromium, 50% aluminum oxide. Then, coated parts were subjected to thermal vacuum treatment (TBO) by quenching - temperature 1240 ° С, duration 1 h 45 min. In the TVO process, the formation of the optimal structure and properties of the coating occurs. An additional layer of a columnar system ZrO 2 -8Y 2 O 3 was additionally applied to the parts of parts operating under conditions of high-temperature oxidation using the electron beam method. A dense ceramic layer with a thickness of 10-15 μm of the composition ZrO 2 -11Y 2 O 3 - (12-25) Si was applied to the ZrO 2 -8Y 2 O 3 coating layer by electron-beam method. The thickness of the ceramic layer is 80-95 microns. All ceramic layers were applied on an industrial unit UE-175. In the process of subsequent diffusion annealing at a temperature of 850 ° C and a duration of 32 hours, the final coating composition is formed.
Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе «Neophot-21». Химический состав определялся микрорентгеноспектральным способом на электронном микроскопе «Stereoscan-S-600» с микроанализатором «Link». Состояние покрытий при испытаниях контролировали ЛЮМ-1-ОВ-методом.Data on the thicknesses of the coating layers was determined using a Neophot-21 optical microscope. The chemical composition was determined by the X-ray microspectral method on a Stereoscan-600 electron microscope with a Link microanalyzer. The state of the coatings during the tests was controlled by the LUM-1-OV method.
Использование способа наиболее эффективно для защиты от высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии деталей из жаропрочных сплавов в связи с их высокой стоимостью и решающим влиянием их ресурса на ресурс изделий в целом.The use of the method is most effective for protection from high-temperature oxidation and sulfide corrosion of parts made of heat-resistant alloys due to their high cost and the decisive effect of their resource on the resource of products in general.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009111631/02A RU2402639C1 (en) | 2009-04-01 | 2009-04-01 | Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009111631/02A RU2402639C1 (en) | 2009-04-01 | 2009-04-01 | Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2402639C1 true RU2402639C1 (en) | 2010-10-27 |
Family
ID=44042286
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009111631/02A RU2402639C1 (en) | 2009-04-01 | 2009-04-01 | Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2402639C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2445402C1 (en) * | 2011-02-24 | 2012-03-20 | Российская Федерация, в лице которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) | Multilayer wear- and heat-resistant coating |
| RU2469129C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Защита-Юг" (ООО НПП "Защита-Юг") | Application method of combined thermal protective coating to part from heat-resistant alloys |
| RU2755131C1 (en) * | 2020-10-20 | 2021-09-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова" | Method for applying combined heat-resistant coating to turbine blades of gte |
-
2009
- 2009-04-01 RU RU2009111631/02A patent/RU2402639C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2445402C1 (en) * | 2011-02-24 | 2012-03-20 | Российская Федерация, в лице которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) | Multilayer wear- and heat-resistant coating |
| RU2469129C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Защита-Юг" (ООО НПП "Защита-Юг") | Application method of combined thermal protective coating to part from heat-resistant alloys |
| RU2755131C1 (en) * | 2020-10-20 | 2021-09-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова" | Method for applying combined heat-resistant coating to turbine blades of gte |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4916022A (en) | Titania doped ceramic thermal barrier coatings | |
| JP4831381B2 (en) | Ceramic superalloy articles | |
| US5981088A (en) | Thermal barrier coating system | |
| US9023486B2 (en) | Thermal barrier coating systems and processes therefor | |
| JP5437573B2 (en) | Alloy compositions and articles containing the same | |
| JP7174811B2 (en) | high temperature parts | |
| US20070187005A1 (en) | Alloy powders and coating compositions containing same | |
| Doleker et al. | Comparison of oxidation behavior of shot-peened plasma spray coatings with cold gas dynamic spray coatings | |
| Zhu et al. | A study of the diffusion and pre-oxidation treatment on the formation of Al2O3 ceramic scale on NiCrAlY bond-coat during initial oxidation process | |
| Wang et al. | Influence of preheating processes on the microstructure of laser glazed YSZ coatings | |
| RU2402639C1 (en) | Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys | |
| RU2423551C2 (en) | Procedure for application of heat protecting coating | |
| US7910225B2 (en) | Low thermal expansion bondcoats for thermal barrier coatings | |
| RU2375499C2 (en) | Method of producing multi-layer heat protecting coating on parts out of heat resistant alloys | |
| Strangman et al. | Tailoring zirconia coatings for performance in a marine gas turbine environment | |
| US20070190354A1 (en) | Low thermal expansion bondcoats for thermal barrier coatings | |
| RU2349679C1 (en) | Method of combination heat-resistant coating on turbine blades of gas-turbine engine | |
| RU2532646C1 (en) | Multi-layered thermal barrier coating | |
| RU2469129C1 (en) | Application method of combined thermal protective coating to part from heat-resistant alloys | |
| RU2755131C1 (en) | Method for applying combined heat-resistant coating to turbine blades of gte | |
| Vencl et al. | Thermal cycling behaviour of plasma sprayed NiCr-Al-Co-Y2O3 bond coat in thermal barrier coating system | |
| RU2688417C1 (en) | Method for application of heat-resistant coating on turbine blades of high-load engine | |
| RU2510429C1 (en) | Method of making higher thermal strength heat-resistant cermet coat | |
| RU2272089C1 (en) | Method of deposition of the combined hot-resistant coating on the turbine blades | |
| Vaßen | Thermal Barrier Coatings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130402 |