RU2423550C1

RU2423550C1 - Heat protecting cover for turbine blades and procedure for its fabrication

Info

Publication number: RU2423550C1
Application number: RU2009144424/02A
Authority: RU
Inventors: Антон Владимирович Новиков (RU); Антон Владимирович Новиков; Аскар Джамилевич Мингажев (RU); Аскар Джамилевич Мингажев; Анатолий Михайлович Смыслов (RU); Анатолий Михайлович Смыслов; Марина Константиновна Смыслова (RU); Марина Константиновна Смыслова; Андрей Александрович Быбин (RU); Андрей Александрович Быбин; Иван Васильевич Тарасюк (RU); Иван Васильевич Тарасюк; Евгений Александрович Кишалов (RU); Евгений Александрович Кишалов; Антон Алексеевич Егоров (RU); Антон Алексеевич Егоров; Алексей Владимирович Дементьев (RU); Алексей Владимирович Дементьев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис"
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-07-10
Also published as: RU2009144424A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: procedure consists in forming metal under-layer in protected surface of blade, in forming transition metal-ceramic layer and external ceramic layer. Transition metal-ceramic layer along its thickness is formed with step-by step change of ratio of metal content to ceramics from 1 % to 20 % of weight per step and with reduction of metal amount by thickness of the transition layer from 100 % to 0 % at thickness of the transition layer from 8 mcm to 100 mcm. Transition metal-ceramic layer is formed with gas-thermal sputtering or it is formed by vacuum ion-plasma methods or magnetron methods or electron-ray evaporation and condensation in vacuum.

EFFECT: high operational characteristics of cover.

37 cl, 3 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к теплозащитным покрытиям и способам их получения на рабочих и направляющих лопатках энергетических и транспортных турбин, и, в особенности, газовых турбин авиадвигателей.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to heat-protective coatings and methods for their preparation on working and guide vanes of energy and transport turbines, and, in particular, gas turbines of aircraft engines.

Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические ГТУ и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, относятся рабочие лопатки турбины. Турбинные лопатки работают в достаточно жестких условиях: высокие температуры, агрессивные среды (кислород, сера, окислы ванадия и другие элементы), значительные знакопеременные механические нагрузки и резкие теплосмены. Существующие тенденции совершенствования турбомашин приводят к еще большему ужесточению указанных условий эксплуатации и к повышению стоимости деталей. Все это требует применения на лопатках турбин более эффективных защитных покрытий.Gas turbine installations and engines are finding wider application in modern technology: aircraft and helicopter engines, marine gas turbine engines, energy gas turbines and gas pumping units. The main parts that determine the reliability, efficiency and resource of their work include turbine blades. Turbine blades operate in rather harsh conditions: high temperatures, aggressive media (oxygen, sulfur, vanadium oxides and other elements), significant alternating mechanical loads and sudden heat changes. Existing trends in improving turbomachines lead to even greater tightening of these operating conditions and to an increase in the cost of parts. All this requires the use of more effective protective coatings on the blades of turbines.

Одним из путей повышения температуры в турбине при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП). Керамические ТЗП, при их достаточной толщине, могут ощутимо снизить теплоприток к основному материалу охлаждаемой лопатки и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.One of the ways to increase the temperature in the turbine while maintaining the resource of the blades is the use of heat-protective coatings (TZP). Ceramic TZP, with their sufficient thickness, can significantly reduce heat gain to the main material of the cooled blade and ensure its performance at high temperatures.

Наиболее перспективным материалом для формирования теплозащитного слоя ТЗП является керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO₂·Y₂O₃). Для обеспечения адгезии керамического слоя и защиты основного материала детали от окисления, ТЗП имеет жаростойкий подслой.The most promising material for the formation of a heat-protective layer of thermal protection layer is ceramic based on zirconia stabilized with yttrium oxide (ZrO ₂ · Y ₂ O ₃ ). To ensure the adhesion of the ceramic layer and protect the main material of the part from oxidation, TZP has a heat-resistant sublayer.

Известно теплозащитное покрытие и способ его нанесения на лопатку турбины (патент РФ № 2325467, МПК C23C 4/10. Способ получения создающего термический барьер покрытия. / Я.Вигрен, М.Ханссон. /Вольво аэро корп./ 2008), включающий предварительную обработку поверхности лопатки и нанесение связующего подслоя, жаростойкого слоя системы MeCrAlY и теплозащитного керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.A heat-resistant coating is known and a method of applying it to a turbine blade (RF patent No. 2325467, IPC C23C 4/10. A method of obtaining a thermal barrier coating. / Y. Wigren, M. Hansson. / Volvo Aero Corp. / 2008), including preliminary processing the surface of the scapula and the application of a binder sublayer, a heat-resistant layer of the MeCrAlY system and a heat-protective ceramic layer based on zirconia stabilized with yttrium oxide.

Известно также теплозащитное покрытие и способ его нанесения на лопатку турбины (патент США №4,904,542 "Многослойное коррозионно-стойкое покрытие"), включающий газотермическое нанесение многослойного покрытия, состоящего из чередующихся керамических и металлических слоев. Так же известно многослойное высокотемпературное покрытие, состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящая в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. Материал металлических слоев выбирается исходя из характеристик его стойкости к эрозии. Это ведет к тому, что при наличии перепадов температуры как по толщине, так и по его поверхности в материале металлического слоя возникнут термические напряжения, которые будут переданы керамике, имеющей низкую прочность на растяжение.Also known is a heat-shielding coating and a method of applying it to a turbine blade (US Patent No. 4,904,542, "Multilayer Corrosion-Resistant Coating"), including gas-thermal application of a multilayer coating consisting of alternating ceramic and metal layers. A multilayer high-temperature coating is also known, consisting of ceramic layers separated by metal layers. This coating has a number of significant disadvantages. The ceramic included in its composition is formed by plasma spraying, which significantly reduces its thermal fatigue and durability. The material of the metal layers is selected based on the characteristics of its resistance to erosion. This leads to the fact that in the presence of temperature differences both in thickness and on its surface, thermal stresses will arise in the material of the metal layer, which will be transferred to ceramics having low tensile strength.

Наиболее близким по технической сущности является теплозащитное покрытие и способ его получения, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающие формирование на защищаемой поверхности лопатки металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя (патент РФ №2078148). Известный способ нанесения теплозащитного покрытия на лопатку турбины включает также предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением третьего керамического слоя из диоксида циркония стабилизированного 7-9 мас.%, оксида иттрия (ZrO₂·7% Y₂O₃) и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиг.The closest in technical essence is a heat-shielding coating and a method for its production, mainly for rotor blades of gas turbine engines and power plants, including the formation of a metal sublayer, transition metal-ceramic layer and an external ceramic layer on the protected surface of the blade (patent of the Russian Federation No. 2078148). A known method of applying a heat-protective coating to a turbine blade also includes preliminary abrasive-liquid treatment and grinding powder treatment, applying a layer of heat-resistant coating of a nickel-based alloy by vacuum-plasma technology, applying a second layer of an alloy based on aluminum alloyed with nickel alloyed with 13-16% and yttrium 1.5-1.8%, vacuum annealing and surface preparation before applying the third ceramic layer of stabilized zirconia 7-9 wt.%, yttrium oxide (ZrO ₂ · 7% Y ₂ O ₃ ) and subsequent optional vacuum diffusion and oxidative annealing.

Известен также способ подготовки поверхности детали под нанесение многослойного покрытия на металлические изделия методом катодного распыления, включающий ионную очистку и/или модификацию поверхности изделия (патент РФ №2228387. МПК C23C 14/06. Способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия. Опубл. 2004 г.). Однако функциональным назначением ионно-имплантационной обработки поверхности в данном случае не является повышение жаростойкости слоя.There is also known a method of preparing the surface of a part for applying a multilayer coating to metal products by cathodic spraying, including ion cleaning and / or surface modification of the product (RF patent No. 2228387. IPC C23C 14/06. Method of applying a multilayer coating to metal products. Publ. 2004, .). However, the functional purpose of the ion-implantation surface treatment in this case is not to increase the heat resistance of the layer.

Основным недостатком прототипа является низкая эксплуатационная прочность сцепления на границе «переходный слой - внешний керамический слой», а также недостаточная выносливость и циклическая прочность деталей с покрытием, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и установок.The main disadvantage of the prototype is the low operational adhesion strength at the interface "transition layer - outer ceramic layer", as well as insufficient endurance and cyclic strength of coated parts, i.e. parameters that must be ensured when operating the working blades of turbines of gas turbine engines and installations.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационной прочности сцепления на границе «переходный слой-внешний керамический слой» при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.The technical result of the proposed method is to increase the operational strength of adhesion at the interface "transition layer-external ceramic layer" while increasing the endurance and cyclic strength of parts with protective coatings.

Технический результат достигается тем, что в способе получения теплозащитного покрытия, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающем формирование на защищаемой поверхности лопатки металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя, в отличие от прототипа, при формировании переходного металлокерамического слоя по его толщине проводят пошаговое изменение соотношения содержания металла к керамике, в диапазоне от 1% до 20% весовых на шаг, уменьшая количество металла по толщине переходного слоя от 100% до 0%, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 150 мкм, причем, при формировании переходного металлокерамического слоя газотермическим напылением проводят пошаговое изменение соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 10% до 20% весовых на шаг, при величине шага от 4 мкм до 8 мкм, при толщине переходного слоя от 40 мкм до 150 мкм, а при формировании переходного металлокерамического слоя вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами, и/или электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме проводят пошаговое изменение соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 1% до 10% весовых на шаг, при величине шага от 0,08 мкм до 0,8 мкм, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 100 мкм.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing a heat-shielding coating, mainly for turbine blades of gas turbine engines and power plants, including forming a metal sublayer, a transition metal-ceramic layer and an external ceramic layer on the protected surface of the blade, in contrast to the prototype, when forming a transition metal-ceramic layer according to its thickness, a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic is carried out, in the range from 1% to 20% by weight ag, reducing the amount of metal in the thickness of the transition layer from 100% to 0%, with a thickness of the transition layer from 8 μm to 150 μm, moreover, when forming the transition metal-ceramic layer by thermal spraying, a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content in the range from 10% to 20% by weight per step, with a step size from 4 microns to 8 microns, with a transition layer thickness of 40 microns to 150 microns, and when forming a transition metal-ceramic layer by vacuum ion-plasma methods and / or magnetron methods, and / or electron vacuum evaporation and condensation in vacuum carry out a step-by-step change in the ratio of the metal to ceramic content in the range from 1% to 10% by weight per step, with a step value from 0.08 μm to 0.8 μm, with a transition layer thickness from 8 μm to 100 μm .

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия в качестве материала керамического слоя и керамики в переходном слое используют ZrO₂ стабилизированную Y₂О₃ в соотношении Y₂O₃ - 5.9 вес.%, ZrO₂ - остальное, при этом керамика дополнительно может содержать от 4% до 36% оксидов La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb и их смесей, а в качестве материала металлического слоя используют жаростойкие сплавы на основе никеля и/или кобальта с добавками Cr, Al, Y, Yb, причем толщина металлического подслоя составляет от 8 мкм до 60 мкм, а толщина керамического слоя составляет от 35 мкм до 400 мкм.The technical result is also achieved by the fact that in the method of obtaining a heat-resistant coating as a material of the ceramic layer and ceramics in the transition layer, ZrO ₂ stabilized Y ₂ O ₃ in the ratio of Y ₂ O ₃ is used - 5.9 wt.%, ZrO ₂ - the rest, while the ceramic may additionally contain from 4% to 36% of La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb oxides and mixtures thereof, and heat-resistant alloys based on nickel and / or cobalt with Cr, Al, Y, Yb additives are used as the material of the metal layer moreover, the thickness of the metal sublayer is from 8 μm to 60 μm, and the thickness of the kera nical layer is from 35 microns to 400 microns.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия перед нанесением металлического подслоя проводят ионно-плазменную подготовку поверхности лопатки и ее ионно-имплантационную обработку ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см², а на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.The technical result is also achieved by the fact that in the method of obtaining a heat-protective coating before applying the metal sublayer, ion-plasma preparation of the surface of the blade and its ion-implant treatment with ions of Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, or a combination thereof, are carried out, ion energies from 0.2 keV to 30 keV and ion implantation dose from 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² , and an additional layer of Nb, Pt, Cr or a combination of them from 0.1 μm to 2.0 microns.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия нанесение металлических слоев покрытия осуществляют шликерным и/или гальваническим, и/или газотермическим, и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а керамического слоя проводят газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.The technical result is also achieved by the fact that in the method of obtaining a heat-protective coating, the deposition of metal coating layers is performed by slip and / or galvanic, and / or thermal, and / or vacuum ion-plasma methods, and / or magnetron methods, and / or electron beam evaporation and condensation in vacuum, and the ceramic layer is carried out by gas thermal and / or vacuum ion-plasma methods, and / or magnetron methods, and / or electron beam evaporation and condensation in vacuum.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия в качестве материала металлического подслоя используют жаростойкий сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Co - от 16% до 30%; Ni - остальное, или состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное.The technical result is also achieved by the fact that in the method for producing a heat-resistant coating, a heat-resistant alloy of the composition is used as the material of the metal sublayer: Cr — from 18% to 34%; Al - from 3% to 16%; Y - from 0.2% to 0.7%; Ni - the rest, or composition: Cr - from 18% to 34%; Al - from 3% to 16%; Y - from 0.2% to 0.7%; Co - from 16% to 30%; Ni - the rest, or composition: Si - from 4.0% to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al is the rest.

Технический результат достигается также тем, что в способе получения теплозащитного покрытия после нанесения покрытия производят его диффузионный отжиг в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст. или среде защитного газа, выбирая температуру в диапазоне от 800°C до 1300°C, а в качестве лопатки турбины используются лопатки из никелевых или кобальтовых жаропрочных сплавов.The technical result is also achieved by the fact that in the method for producing a heat-shielding coating after coating is applied, its diffusion annealing in vacuum is performed no worse than 10 ^-3 mm Hg. or shielding gas medium, choosing a temperature in the range from 800 ° C to 1300 ° C, and blades made of nickel or cobalt heat-resistant alloys are used as turbine blades.

Технический результат достигается также тем, что в теплозащитном покрытии преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащем металлический подслой, нанесенный на поверхность лопатки, переходный слой, содержащий металлическую и керамическую фазы, и нанесенный на переходный слой внешний керамический слой на основе ZrO₂ стабилизированный Y₂O₃, в отличие от прототипа, переходный металлокерамический слой выполнен многослойным при пошаговом уменьшении содержания металлической составляющей в каждом слое переходного слоя от 1% до 20% весовых в направлении перехода от металлического подслоя к керамическому слою, при уменьшении соотношения металла к керамике по толщине переходного слоя от 100% до 0% и толщине переходного слоя от 8 мкм до 150 мкм.The technical result is also achieved by the fact that in a heat-insulating coating mainly for rotor blades of turbines of gas turbine engines and power plants containing a metal sublayer deposited on the surface of the blade, a transition layer containing metal and ceramic phases, and an external ceramic layer based on ZrO applied to the transition layer ₂ stabilized with Y ₂ O _3, unlike the prototype, the transition metal-ceramic layer is a multilayer with stepwise decreasing metal content sost vlyayuschey in each layer of the transition layer of from 1% to 20% by weight in the direction of the transition from the metal sublayer on the ceramic layer, with decreasing metal ratios to ceramics the thickness of the transition layer of 100% to 0%, and the thickness of the transition layer is from 8 microns to 150 microns.

Технический результат достигается также тем, что теплозащитное покрытие включает переходный металлокерамический слой, полученный: или газотермическим напылением при пошаговом изменении соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 10% до 20% весовых на шаг, при величине шага от 4 мкм до 8 мкм, при толщине переходного слоя от 40 мкм до 150 мкм, или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, при пошаговом изменении соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 1% до 10% весовых на шаг, при величине шага от 0,08 мкм до 0,8 мкм, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 100 мкм.The technical result is also achieved by the fact that the thermal barrier coating includes a transition metal-ceramic layer obtained: or by thermal spraying with a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content in the range from 10% to 20% by weight per step, with a step size from 4 μm to 8 μm, at the thickness of the transition layer from 40 μm to 150 μm, or by vacuum ion-plasma methods and / or magnetron methods, and / or electron beam evaporation and condensation in vacuum, with a step-by-step change in the ratio of metal to ceramics in the range from 1% to 10% by weight per step, with a step size from 0.08 μm to 0.8 μm, with a transition layer thickness of 8 μm to 100 μm.

Технический результат достигается также тем, что в теплозащитном покрытии в качестве материала металлического подслоя использованы жаростойкие сплавы на основе никеля и/или кобальта с добавками Cr, Al, Y, Yb, причем толщина металлического подслоя составляет от 8 мкм до 60 мкм, а металлический подслой нанесен на поверхность основного материала лопатки, подвергнутую ионно-имплантационной обработке ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².The technical result is also achieved by the fact that heat-resistant alloys based on nickel and / or cobalt with the addition of Cr, Al, Y, Yb are used as a material of the metal sublayer in the heat-shielding coating, the thickness of the metal sublayer being from 8 μm to 60 μm, and the metal sublayer deposited on the surface of the main material of the blade, subjected to ion-implantation treatment with ions of Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si or a combination thereof, with an ion energy of 0.2 keV to 30 keV and an implantation dose of 10 ¹⁰ up to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² .

Технический результат достигается также тем, что в теплозащитном покрытии толщина керамического слоя составляет от 35 мкм до 400 мкм, а в качестве материала керамического слоя и керамики в переходном слое использованы ZrO₂ стабилизированный Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное, кроме того, керамика дополнительно может содержать от 4% до 36% оксидов La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb и их смесей.The technical result is also achieved by the fact that in a heat-insulating coating the thickness of the ceramic layer is from 35 μm to 400 μm, and ZrO ₂ stabilized Y ₂ O ₃ in the ratio of Y ₂ O ₃ - 5 ... 9 is used as the material of the ceramic layer and ceramic in the transition layer wt.%, ZrO ₂ - the rest, in addition, the ceramic may additionally contain from 4% to 36% of the oxides of La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb and mixtures thereof.

В процессе эксплуатации лопаток турбин с теплозащитными покрытиями (ТЗП) в последних, на границе «подслой-керамический слой» возникает и растет оксидный слой, что приводит к отслоению внешнего керамического слоя. В этой связи, эксплуатационные свойства теплозащитных покрытий главным образом и определяются адгезионной стойкостью системы «подслой-керамический слой». В то же время, покрытие, в котором металлическая составляющая подслоя, имеющая, с одной стороны качественное сцепление с основным материалом, а с другой - за счет внедрения в керамический слой на заданную глубину - хорошее сцепление с керамическим слоем, сохраняющееся в процессе эксплуатации, имеет более высокие эксплуатационные свойства. При использовании ступенчатого пошагового переходного слоя, когда соотношение содержания керамики и металла изменяется по толщине переходного слоя от 100% металла до 100% керамики, увеличивая таким образом площадь сцепления между керамической и металлической составляющими при создании слоистости переходного слоя, позволяет достичь ряда эффектов (повышение прочности сцепления металла с керамикой, в том числе и в процессе эксплуатации детали, снижение остаточных и эксплуатационных напряжений в покрытии, усиление демпфирующих свойств покрытия, повышение стойкости к термоударам), повышающих эксплуатационные свойства деталей с теплозащитными покрытиями. Другими словами, повышенные эксплуатационные эффекты в предлагаемом покрытии объясняются следующими его преимуществами: анкерным соединением на границе «подслой-керамический слой», обеспечиваемым внедрением металла в керамику; градиентный характер переходного слоя, обеспечивающий ступенчатый переход от металла к керамике; рост оксидной пленки на границе «металл-керамика» приводит к дополнительному сжатию охватываемой керамики металлической составляющей переходного слоя, внедренного в керамический слой, т.е. силы, возникающие на границе «металл-керамика», направлены не по нормали к поверхности покрытия как в известных ТЗП, а в тангенциальном направлении.During operation of turbine blades with heat-protective coatings (TZP) in the latter, an oxide layer arises and grows at the “sub-layer-ceramic layer” boundary, which leads to the delamination of the outer ceramic layer. In this regard, the operational properties of heat-protective coatings are mainly determined by the adhesion resistance of the "sub-layer-ceramic layer" system. At the same time, a coating in which the metal component of the sublayer, having, on the one hand, high-quality adhesion to the main material, and on the other, due to the introduction of a predetermined depth into the ceramic layer, has good adhesion to the ceramic layer, which is maintained during operation, higher operational properties. When using a step-by-step step-by-step transition layer, when the ratio of ceramic and metal content varies over the thickness of the transition layer from 100% metal to 100% of ceramic, thereby increasing the adhesion area between the ceramic and metal components when creating the layering of the transition layer, a number of effects can be achieved (increase in strength metal adhesion to ceramics, including during the operation of the part, reducing residual and operational stresses in the coating, enhancing the damping properties of coatings ytiya, increased resistance to thermal shock) to increase performance of the components with a thermal barrier coating. In other words, the increased operational effects in the proposed coating are explained by its following advantages: an anchor joint at the “sub-layer-ceramic layer” interface provided by the incorporation of metal into ceramics; gradient nature of the transition layer, providing a stepwise transition from metal to ceramic; the growth of the oxide film at the metal-ceramic interface leads to additional compression of the ceramic covered by the metal component of the transition layer embedded in the ceramic layer, i.e. the forces arising at the metal-ceramic boundary are directed not along the normal to the surface of the coating, as in the known TZ, but in the tangential direction.

Для оценки стойкости лопаток газовых турбин, с ТЗП, полученными по известному и предлагаемому способам, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения жаростойкого подслоя на образцы из никелевых и кобальтовых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000) приведены в таблице 1.To assess the durability of the blades of gas turbines, with TZP obtained by the known and proposed methods, the following tests were carried out. The conditions and conditions for applying a heat-resistant sublayer to samples of nickel and cobalt alloys (TsNK-7, TsNK-21, FSX-414, ZhS-6, ZhS-6U, EI-893, U-5000) are shown in Table 1.

Табл.1Table 1 № Группы образцовSample Group No. Ионы, имплантируемые в основуBase implantable ions Ионы, имплантируемые в покрытиеIons implanted in the coating Металлический подслойMetal sublayer Состав сплава в переходном металлокерамическом слоеThe composition of the alloy in the transition metal-ceramic layer Дополнительный слой на поверхности лопаткиExtra layer on the surface of the scapula 1one 22 33 4four 55 66 (Прот)(Prot) -- -- Co - 20%
Cr - 30%
Al - 13%
Y - 0,6%
Ni - ост.Co - 20%
Cr - 30%
Al - 13%
Y - 0.6%
Ni - stop Si - 12%
Ni - 10%
B - 1,6%
Al - ост.Si - 12%
Ni - 10%
B - 1.6%
Al - ost. -- 1one NbNb Y + PtY + Pt Cr - 18%
Al - 5%
Y - 0,2%
Ni - ост.Cr - 18%
Al - 5%
Y - 0.2%
Ni - stop Si - 4,0%
Y - 1,0%
Al - ост.Si - 4.0%
Y - 1.0%
Al - ost. Nb, толщ. 0,1 мкмNb, thickness 0.1 μm 22 YbYb Y + CrY + Cr 33 Yb + NbYb + nb Y+ CrY + Cr 4four PtPt NbNb 55 YY NbNb Cr - 30%
Al - 13%
Y - 0,65%
Ni - ост.Cr - 30%
Al - 13%
Y - 0.65%
Ni - stop Si - 12,0%
Y - 2,0%
Al - ост.Si - 12.0%
Y - 2.0%
Al - ost. Nb + Pt, толщ. 0,5 мкмNb + Pt, thickness 0.5 μm 66 Y + PtY + Pt YbYb 77 Y + CrY + Cr YbYb Nb, толщ. 2,0 мкмNb, thickness 2.0 μm 88 Y + CrY + Cr PtPt 99 Hf + NbHf + nb YY Cr - 22%
Al - 11%
Y - 0,5%
Ni - ост.Cr - 22%
Al - 11%
Y - 0.5%
Ni - stop Si - 6,0%
Y - 1,5%
Al - ост.Si - 6.0%
Y - 1.5%
Al - ost. Pt, толщ. 0,1 мкмPt, thickness 0.1 μm 1010 La + Nb + YLa + Nb + Y Cr + SiCr + Si 11eleven Yb + NbYb + nb Yb + NbYb + nb Cr, толщ. 0,1 мкмCr, thickness 0.1 μm 1212 Si + CrSi + Cr Hf + NbHf + nb 1313 YY YY Cr - 24%
Al - 8%
Y - 0,4%
Ni - ост.Cr - 24%
Al - 8%
Y - 0.4%
Ni - stop Si - 8,0%
Y - 1,0%
Al - ост.Si - 8.0%
Y - 1.0%
Al - ost. Pt + Cr, толщ. 2,0 мкмPt + Cr, thickness 2.0 μm 14fourteen PtPt NbNb 15fifteen Cr + SiCr + Si PtPt Pt, толщ. 2,0 мкмPt, thickness 2.0 μm 1616 NbNb Cr + SiCr + Si 1717 LaLa HfHf Cr - 26%
Al - 10%
Y - 0,3%
Ni - ост.Cr - 26%
Al - 10%
Y - 0.3%
Ni - stop Si- 10%
Y - 2,0%
Al - ост.Si - 10%
Y - 2.0%
Al - ost. Cr, толщ. 2,0 мкмCr, thickness 2.0 μm 18eighteen LaLa LaLa 1919 Yb + NbYb + nb YbYb Nb + Cr, толщ. 2,0 мкмNb + Cr, thickness 2.0 μm 20twenty YbYb YbYb

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см², (диффузионный отжиг: первый вариант - в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст.; второй вариант - в среде защитного газа; температура отжига: 800°C; 900°C; 1000°C; 1200°C; 1300°C). Материал слоев и схема их чередования - согласно таблице 1.Modes of sample processing and coating: ion implantation (Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, or a combination thereof) at ion energies from 0.2 keV to 30 keV and ion implantation dose from 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² , (diffusion annealing: the first option is in vacuum no worse than 10 ^-3 mm Hg; the second option is in a shielding gas medium; annealing temperature: 800 ° C; 900 ° C; 1000 ° C; 1200 ° C; 1300 ° C). The material of the layers and their alternation scheme are according to table 1.

При формировании переходного металлокерамического слоя по его толщине проводили пошаговое изменение соотношения содержания металла к керамике (в весовых %): 1% ; 3%; 5%; 10%; 15%; 20% на шаг, уменьшая количество металла по толщине переходного слоя от 100% до 0%, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 150 мкм. При формировании переходного металлокерамического слоя газотермическим напылением проводили пошаговое изменение соотношения содержания металла к керамике: 10% ; 15%; 20% весовых на шаг, при величине шага 4 мкм; 6 мкм; 8 мкм, при толщине переходного слоя 40 мкм; 60 мкм; 80 мкм; 100 мкм; 150 мкм. При формировании переходного металлокерамического слоя вакуумными ионно-плазменными и магнетронными методами, а также электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, проводили пошаговое изменение соотношения содержания металла к керамике: 1%; 3%; 5% весовых на шаг, при величине шага: 0,08 мкм; 0,16 мкм; 0,5 мкм; 0,8 мкм, при толщине переходного слоя: 8 мкм; 16 мкм; 40 мкм; 80 мкм; 100 мкм.When forming a transition metal-ceramic layer by its thickness, a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content (in weight%) was carried out: 1%; 3%; 5%; 10%; fifteen%; 20% per step, reducing the amount of metal in the thickness of the transition layer from 100% to 0%, with a thickness of the transition layer from 8 μm to 150 μm. When forming the transition metal-ceramic layer by thermal spraying, a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content was carried out: 10%; fifteen%; 20% by weight per step, with a step size of 4 microns; 6 microns; 8 microns, with a transition layer thickness of 40 microns; 60 microns; 80 microns; 100 microns; 150 microns. In the formation of the transition metal-ceramic layer by vacuum ion-plasma and magnetron methods, as well as electron beam evaporation and condensation in vacuum, a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic was performed: 1%; 3%; 5% weight per step, with step size: 0.08 microns; 0.16 μm; 0.5 μm; 0.8 microns, with a thickness of the transition layer: 8 microns; 16 microns; 40 microns; 80 microns; 100 microns.

Толщины слоев составляли: по способу-прототипу металлический подслой толщиной 20 мкм и 60 мкм, керамический слой 40 мкм и 400 мкм.The layer thicknesses were: according to the prototype method, a metal sublayer with a thickness of 20 μm and 60 μm, a ceramic layer of 40 μm and 400 μm.

Толщина металлического подслоя составляет от 8 мкм до 60 мкм, а толщина керамического слоя составляет от 35 мкм до 400 мкм.The thickness of the metal sublayer is from 8 microns to 60 microns, and the thickness of the ceramic layer is from 35 microns to 400 microns.

При формировании по предлагаемому способу толщина металлического подслоя составляла: 8 мкм; 16 мкм; 40 мкм; 60 мкм. Использовался жаростойкий сплав составов: Cr - 18%, Al - 16%, Y - 0,7%, Ni - остальное; Cr - 26%, Al - 10%, Y - от 0,5%, Ni - остальное; Cr - 34%, Al - 3%, Y - от 0,2%, Ni - остальное; Cr - 18%, Al - 16%, Y - 0,5%, Co - 16%, Ni - остальное, Cr - от 28%; Al - 10%, Y - 0,7%, Co - 30%, Ni - остальное, Cr - 34%, Al - 3%; Y - 0,2%, Co - 26%, Ni - остальное; Si - 4,0%, Y - 2,0%; Al - остальное; Si - 12,0%; Y - 1,0%, Al - остальное; Si - 10,0%, Y - 1,6%, Al - остальное. Толщина керамического слоя составляла: 35 мкм; 60 мкм; 120 мкм; 300 мкм; 400 мкм. В качестве материала керамического слоя и керамики в переходном слое использовался ZrO₂ стабилизированный Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Кроме того, керамика дополнительно содержала добавки оксидов La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb и их смесей в количестве: 4%; 20%; 36%.When forming by the proposed method, the thickness of the metal sublayer was: 8 microns; 16 microns; 40 microns; 60 microns. A heat-resistant alloy of the compositions was used: Cr - 18%, Al - 16%, Y - 0.7%, Ni - the rest; Cr - 26%, Al - 10%, Y - from 0.5%, Ni - the rest; Cr - 34%, Al - 3%, Y - from 0.2%, Ni - the rest; Cr - 18%, Al - 16%, Y - 0.5%, Co - 16%, Ni - the rest, Cr - from 28%; Al - 10%, Y - 0.7%, Co - 30%, Ni - the rest, Cr - 34%, Al - 3%; Y - 0.2%, Co - 26%, Ni - the rest; Si - 4.0%, Y - 2.0%; Al is the rest; Si - 12.0%; Y - 1.0%, Al - the rest; Si - 10.0%, Y - 1.6%, Al - the rest. The thickness of the ceramic layer was: 35 μm; 60 microns; 120 microns; 300 microns; 400 microns. As the material of the ceramic layer and ceramics in the transition layer, ZrO ₂ stabilized Y ₂ O _{3 was used} in the ratio of Y ₂ O ₃ - 5 ... 9 wt.%, ZrO ₂ - the rest. In addition, the ceramics additionally contained additives of oxides La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb and their mixtures in the amount of: 4%; twenty%; 36%

Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 в условиях высоких температур (при 870-950°C) на воздухе. В результате проведенных испытаний было установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток составляет:The endurance and cyclic strength tests of samples of nickel and cobalt alloys TsNK-7, TsNK-21, FSX-414, ZhS-6, ZhS-6U, EI-893, U-5000 at high temperatures (at 870-950 ° C) in air. As a result of the tests, the following was established: the conditional endurance limit (σ _-1 ) of the blades is:

1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые 220-235 МПа;1) by a known method - nickel alloys on average 230-250 MPa, cobalt 220-235 MPa;

2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 260-280 МПа, кобальтовые 250-265 МПа (таблица 2);2) according to the proposed method, nickel alloys on average 260-280 MPa, cobalt 250-265 MPa (table 2);

Табл.2Table 2 № группы образцовSample Group No. Никелевые сплавы, МПаNickel alloys, MPa Кобальтовые сплавы, МПаCobalt alloys, MPa 1one 22 33 1one 270-290270-290 240-260240-260 22 260-275260-275 240-265240-265 33 260-280260-280 250-275250-275 4four 275-295275-295 250-270250-270 55 270-285270-285 250-270250-270 66 275-290275-290 245-260245-260 77 260-280260-280 240-260240-260 88 270-280270-280 250-260250-260 99 275-290275-290 240-260240-260 1010 270-285270-285 250-270250-270 11eleven 275-290275-290 250-270250-270 1212 275-290275-290 245-265245-265 1313 270-285270-285 250-270250-270 14fourteen 275-285275-285 250-265250-265 15fifteen 270-285270-285 260-275260-275 1616 285-300285-300 245-265245-265 1717 275-290275-290 250-270250-270 18eighteen 270-285270-285 245-265245-265 1919 260-280260-280 250-270250-270 20twenty 270-285270-285 240-255240-255

Изотермическая жаростойкость покрытий оценивалась на образцах диаметром d=10 мм и длиной l=30 мм. Образцы покрытиями помещались в тигли и выдерживались на воздухе при температуре T=1200°C±20°C. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялись путем визуального осмотра через каждые 50 часов испытаний при температуре 1200°C. Взвешивание образцов вместе с окалиной производилось через 500 и 1000 ч испытаний, при этом определялась величина удельного прироста массы образца на единицу его поверхности по сравнению с исходным весом ΔP, г/м². Полученные результаты представлены в таблице 3.The isothermal heat resistance of the coatings was evaluated on samples with a diameter of d = 10 mm and a length of l = 30 mm. Coated samples were placed in crucibles and kept in air at a temperature of T = 1200 ° C ± 20 ° C. The heat resistance of the coatings was evaluated by the characteristic time (τ) until the first foci of gas corrosion or other defects appeared, which were determined by visual inspection after every 50 hours of testing at a temperature of 1200 ° C. The samples were weighed together with the scale after 500 and 1000 hours of testing, and the specific weight gain of the sample per unit surface was determined in comparison with the initial weight ΔP, g / m ² . The results are presented in table 3.

Табл. 3Tab. 3 № группы образцовSample Group No. Циклическая жаростойкость, цикл.Cyclical heat resistance, cycle. Изотермическая жаростойкость,Isothermal heat resistance, τ, чτ, h ΔP, г/м² ΔP, g / m ² 500 ч500 h 1000 ч1000 h 1one 22 33 4four 55 00 550550 350350 7,67.6 14,214.2 1one 800800 700700 5,35.3 8,88.8 22 900900 850850 5,45,4 9,59.5 33 700700 650650 6,86.8 9,99.9 4four 900900 850850 5,55.5 8,78.7 55 850850 700700 5,95.9 9,19.1 66 800800 850850 3,13,1 7,87.8 77 950950 700700 3,23.2 7,97.9 88 700700 600600 6,16.1 9,79.7 99 900900 850850 4,24.2 8,88.8 1010 700700 650650 5,45,4 9,59.5 11eleven 800800 700700 5,65,6 9,19.1 1212 800800 650650 5,15.1 9,89.8 1313 750750 600600 5,35.3 8,98.9 14fourteen 900900 650650 4,64.6 9,59.5 15fifteen 850850 850850 4,74.7 9,19.1 1616 900900 850850 4,94.9 8,98.9 1717 800800 650650 5,15.1 8,68.6 18eighteen 700700 650650 5,75.7 8,28.2 1919 850850 700700 5,45,4 9,59.5 20twenty 900900 700700 5,75.7 8,98.9

Оценка стойкости керамического слоя к отслоению в результате воздействия высоких температур и окисления границы «подслой-керамика» оценивалась по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл теплосмены представлял собой нагрев образца до 1150°C, температурную выдержку в течение 15 мин и охлаждение в воде до температуры 20°C. После каждого цикла теплосмены по наличию отслоений оценивалась стойкость покрытия. Данные по сравнительным испытаниям на термостойкость показали, что в среднем количество теплосмен до разрушения у покрытия-прототипа составило 22 цикла, а у покрытий, нанесенных по предлагаемому способу, от 45 до 56 циклов.Assessment of the resistance of the ceramic layer to peeling as a result of high temperatures and oxidation of the “sub-ceramic” interface was evaluated by the number of cycles that the coatings withstood until the ceramic layer was destroyed. The heat exchange cycle was the heating of the sample to 1150 ° C, temperature exposure for 15 min, and cooling in water to a temperature of 20 ° C. After each heat exchange cycle, the resistance of the coating was evaluated by the presence of delamination. Data on comparative tests for heat resistance showed that on average the number of heat exchanges before failure in the coating of the prototype was 22 cycles, and for coatings deposited by the proposed method, from 45 to 56 cycles.

Повышение адгезионной прочности покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2, 3) указывает на то, что при применении следующих вариантов получения теплозащитного покрытия: формирование на защищаемой поверхности лопатки металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя; при формировании переходного металлокерамического слоя по его толщине, проведении пошагового изменения соотношения содержания металла к керамике, в диапазоне от 1% до 20% весовых на шаг, уменьшая количество металла по толщине переходного слоя от 100% до 0%, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 150 мкм; проведение при формировании переходного металлокерамического слоя газотермическим напылением пошагового изменения соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 10% до 20% весовых на шаг, при величине шага от 4 мкм до 8 мкм, при толщине переходного слоя от 40 мкм до 150 мкм, а при формировании переходного металлокерамического слоя вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами, и/или электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме, проведение пошагового изменения соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 1% до 10% весовых на шаг, при величине шага от 0,08 мкм до 0,8 мкм, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 100 мкм; использование в качестве материала керамического слоя и керамики в переходном слое ZrO₂ стабилизированного Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное; дополнительное содержание в керамике от 4% до 36% оксидов La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb и их смесей; использование в качестве материала металлического слоя жаростойких сплавов на основе никеля и/или кобальта с добавками Cr, Al, Y, Yb, при толщине металлического подслоя от 8 мкм до 60 мкм и толщине керамического слоя от 35 мкм до 400 мкм; проведение перед нанесением металлического подслоя ионно-плазменной подготовки поверхности лопатки и ее ионно-имплантационной обработки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см; дополнительное нанесение на поверхность лопатки слоя из Nb, Pt, Сг или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; нанесение металлических слоев покрытия шликерным и/или гальваническим, и/или газотермическим, и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а керамического слоя газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме; использование в качестве материала металлического подслоя жаростойкого сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Co - от 16% до 30%; Ni - остальное, или состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное; произведение после нанесения покрытия его диффузионного отжига в вакууме не хуже 10^-3 мм рт.ст. или в среде защитного газа, выбирая температуру в диапазоне от 800°C до 1300°C; использование в качестве лопатки турбины лопатки из никелевых или кобальтовых жаропрочных сплавов; выполнение в теплозащитном покрытии преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащем металлический подслой, нанесенный на поверхность лопатки, переходного слоя, содержащего металлическую и керамическую фазы и нанесенного на переходный слой внешний керамический слой на основе ZrO₂ стабилизированный Y₂O₃; выполнение переходного металлокерамического слоя многослойным при пошаговом уменьшении содержания металлической составляющей в каждом слое переходного слоя от 1% до 20% весовых в направлении перехода от металлического подслоя к керамическому слою, при уменьшении соотношения металла к керамике по толщине переходного слоя от 100% до 0% и толщине переходного слоя от 8 мкм до 100 мкм; использование переходного металлокерамического слоя, полученного: или газотермическим напылением при пошаговом изменении соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 10% до 20% весовых на шаг, при величине шага от 4 мкм до 8 мкм, при толщине переходного слоя от 40 мкм до 150 мкм, или вакуумными ионно-плазменными методами, и/или магнетронными методами, и/или электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме, при пошаговом изменении соотношения содержания металла к керамике в диапазоне от 1% до 10% весовых на шаг, при величине шага от 0,08 мкм до 0,8 мкм, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 100 мкм; использование в качестве материала металлического подслоя жаростойких сплавов на основе никеля и/или кобальта с добавками Cr, Al, Y, Yb, при толщине металлического подслоя от 8 мкм до 60 мкм; нанесение металлического подслоя на поверхность основного материала лопатки, подвергнутую ионно-имплантационной обработке ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см²; использование в теплозащитном покрытии керамического слоя толщиной от 35 мкм до 400 мкм; использование в качестве материала керамического слоя и керамики в переходном слое ZrO₂ стабилизированного Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное; использование дополнительно в керамике от 4% до 36% оксидов La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb и их смесей, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - повышения эксплуатационной прочности сцепления на границе «переходный слой-внешний керамический слой» при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.An increase in the adhesion strength of coatings and the endurance limit of nickel and cobalt alloy blades with coatings (Tables 2, 3) indicates that when using the following options for obtaining a heat-protective coating: the formation of a metal sublayer, a transition metal-ceramic layer and an external ceramic layer on the protected surface of the blade; during the formation of the transition metal-ceramic layer by its thickness, a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content in the range from 1% to 20% by weight per step, reducing the amount of metal in the thickness of the transition layer from 100% to 0%, with the thickness of the transition layer from 8 microns to 150 microns; during the formation of the transition metal-ceramic layer by thermal spraying, a step-by-step change in the ratio of the metal to ceramic content in the range from 10% to 20% by weight per step, with a step size of 4 μm to 8 μm, with a thickness of the transition layer from 40 μm to 150 μm, and at the formation of the transition metal-ceramic layer by vacuum ion-plasma methods and / or magnetron methods, and / or electron beam evaporation and condensation in vacuum, a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic in the range from 1% to 10% weight per step, with a step size of 0.08 μm to 0.8 μm, with a transition layer thickness of 8 μm to 100 μm; using stabilized Y ₂ O ₃ in the ratio of Y ₂ O ₃ - 5 ... 9 wt.%, ZrO ₂ - the rest as the material of the ceramic layer and ceramics in the ZrO ₂ transition layer; additional content in ceramics from 4% to 36% of oxides of La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb and mixtures thereof; use as material of a metal layer of heat-resistant alloys based on nickel and / or cobalt with Cr, Al, Y, Yb additives, with a metal sublayer thickness of 8 μm to 60 μm and a ceramic layer thickness of 35 μm to 400 μm; carrying out ion-plasma preparation of the surface of the blade and its ion-implant treatment with Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si ions or a combination thereof before applying a metal sublayer with an ion energy of 0.2 keV to 30 keV and a dose implantation of ions from 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm; additional deposition of a layer of Nb, Pt, Cr or a combination of a thickness from 0.1 μm to 2.0 μm on the surface of the blade; the deposition of metal coating layers by slip and / or galvanic, and / or thermal, and / or vacuum ion-plasma methods, and / or magnetron methods, and / or electron beam evaporation and condensation in vacuum, and the ceramic layer by gas thermal and / or vacuum ion-plasma methods, and / or magnetron methods, and / or electron beam evaporation and condensation in vacuum; use as a material a metal sublayer of a heat-resistant alloy composition: Cr - from 18% to 34%; Al - from 3% to 16%; Y - from 0.2% to 0.7%; Ni - the rest, or composition: Cr - from 18% to 34%; Al - from 3% to 16%; Y - from 0.2% to 0.7%; Co - from 16% to 30%; Ni - the rest, or composition: Si - from 4.0% to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al is the rest; the product after coating its diffusion annealing in vacuum is not worse than 10 ^-3 mm Hg or in a shielding gas environment, choosing a temperature in the range from 800 ° C to 1300 ° C; use as a turbine blade a blade made of nickel or cobalt heat-resistant alloys; performing in a heat-shielding coating mainly for working blades of turbines of gas turbine engines and power plants containing a metal sublayer deposited on the surface of the blades, a transition layer containing metal and ceramic phases and an external ceramic layer based on ZrO ₂ stabilized with Y ₂ O ₃ deposited on the transition layer; making the transition metal-ceramic layer multilayer with a step-by-step decrease in the content of the metal component in each layer of the transition layer from 1% to 20% by weight in the direction of transition from the metal sublayer to the ceramic layer, while reducing the ratio of metal to ceramic over the thickness of the transition layer from 100% to 0% and the thickness of the transition layer from 8 microns to 100 microns; the use of a transition metal-ceramic layer obtained: or by thermal spraying with a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content in the range from 10% to 20% by weight per step, with a step size of 4 μm to 8 μm, and a thickness of the transition layer from 40 μm to 150 μm or vacuum ion-plasma methods and / or magnetron methods and / or electron beam evaporation and condensation in vacuum, with a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic in the range from 1% to 10% by weight per step, with a step size of 0.08 microns to 0.8 microns, with a transition layer thickness of 8 microns to 100 microns; use as material a metal sublayer of heat-resistant alloys based on nickel and / or cobalt with additives Cr, Al, Y, Yb, with a thickness of the metal sublayer from 8 microns to 60 microns; applying a metal sublayer to the surface of the main material of the scapula subjected to ion implantation with ions of Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si or a combination thereof, with an ion energy of 0.2 keV to 30 keV and an ion implantation dose of 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² ; the use of a ceramic layer with a thickness of 35 microns to 400 microns in the thermal barrier coating; using stabilized Y ₂ O ₃ in the ratio of Y ₂ O ₃ - 5 ... 9 wt.%, ZrO ₂ - the rest as the material of the ceramic layer and ceramics in the ZrO ₂ transition layer; the use of additionally in ceramics from 4% to 36% of the oxides of La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb and their mixtures, allow to achieve the technical result of the claimed invention - to increase the operational strength of adhesion at the interface "transition layer-outer ceramic layer" while increasing endurance and cyclic strength of parts with protective coatings.

Claims

1. A method of obtaining a heat-protective coating, mainly for rotor blades of gas turbine engines and power plants, comprising forming on the surface of the blades of the blade a metal sublayer, a transition metal-ceramic layer and an external ceramic layer based on ZrO ₂ stabilized with Y ₂ O ₃ , characterized in that the transition the cermet layer is made of a multilayer thickness of 8 to 150 μm from a heat-resistant alloy based on nickel and cobalt with the addition of Cr, Al, Y, Yb, with a step change eniya content of a metal component in each layer of from 1 to 20 wt.% in the direction from the transition metal sub-layer to the ceramic layer and with decreasing amounts of the metal component to the ceramic component 100 to 0% of the thickness of the transition layer.

2. The method according to claim 1, characterized in that the transition metal-ceramic layer is formed by thermal spraying with a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content in the range from 10 to 20 wt.% Per step with a step size of 4 to 8 μm, with a thickness of the transition layer from 40 to 150 microns.

3. The method according to claim 1, characterized in that the transition metal-ceramic layer is formed by vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or by electron beam evaporation and condensation in vacuum and a step-by-step change is made in the ratio of metal to ceramic content in the range from 1 to 10 wt.% per step with a step size of from 0.08 to 0.8 microns, with a transition layer thickness of from 8 to 100 microns.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as the material of the ceramic layer and ceramic in the transition layer, ZrO ₂ stabilized with Y ₂ O ₃ in a ratio of Y ₂ O _{3 of} 5 ... 9 wt.%, ZrO is used ₂ - the rest.

5. The method according to claim 4, characterized in that the ceramic additionally contains from 4 to 36% of La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, and mixtures thereof.

6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that heat-resistant alloys based on nickel and / or cobalt with Cr, Al, Y, Yb additives are used as the material of the metal layer, the thickness of the metal sublayer being from 8 to 60 microns, and the thickness of the ceramic layer is from 35 to 400 microns.

7. The method according to claim 4, characterized in that the material of the metal layer using heat-resistant alloys based on nickel and / or cobalt with additives Cr, Al, Y, Yb, and the thickness of the metal sublayer is from 8 to 60 microns, and the thickness the ceramic layer is from 35 to 400 microns.

8. The method according to any one of claims 1 to 3, 5 and 7, characterized in that before applying the metal sublayer, ion-plasma preparation of the surface of the blade and its ion-implant treatment with ions of Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si or a combination thereof at an ion energy of 0.2 to 30 keV and an ion implantation dose of 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² .

9. The method according to claim 4, characterized in that before applying the metal sublayer, ion-plasma preparation of the surface of the blade and its ion-implant treatment with Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si ions, or a combination thereof at energy ions from 0.2 to 30 keV and the implantation dose of ions from 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² .

10. The method according to claim 6, characterized in that before applying the metal sublayer carry out ion-plasma preparation of the surface of the blade and its ion-implant treatment with ions of Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si or a combination thereof at energy ions from 0.2 to 30 keV and the implantation dose of ions from 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² .

11. The method according to any one of claims 1 to 3, 5, 7, 9 and 10, characterized in that before applying the metal sublayer, an additional layer of Nb, Pt, Cr or a combination thereof from 0.1 to 2 thickness is additionally applied to the surface of the blade , 0 μm.

12. The method according to claim 4, characterized in that before applying the metal sublayer, a layer of Nb, Pt, Cr or a combination thereof with a thickness of 0.1 to 2.0 μm is additionally applied to the surface of the blade.

13. The method according to claim 6, characterized in that before applying the metal sublayer, a layer of Nb, Pt, Cr or a combination thereof with a thickness of 0.1 to 2.0 μm is additionally applied to the surface of the blade.

14. The method according to claim 8, characterized in that before applying the metal sublayer, an additional layer of Nb, Pt, Cr or a combination thereof with a thickness of 0.1 to 2.0 μm is additionally applied to the surface of the blade.

15. The method according to any one of claims 1 to 3, 5, 7, 9, 10 and 12-14, characterized in that the deposition of the metal coating layers is carried out by slip, or galvanic, or thermal, or vacuum ion-plasma methods, or magnetron by methods, or by electron beam evaporation and condensation in vacuum, and the ceramic layer is carried out by gas thermal or vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum.

16. The method according to claim 4, characterized in that the deposition of metal coating layers is carried out by slip, or galvanic, or thermal, or vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum, and the ceramic layer is carried out gas thermal, or vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum.

17. The method according to claim 6, characterized in that the deposition of metal coating layers is performed by slip, or galvanic, or gas thermal, or vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum, and the ceramic layer is carried out gas thermal, or vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum.

18. The method according to claim 8, characterized in that the deposition of metal coating layers is carried out by slip, or galvanic, or thermal, or vacuum ion-plasma methods or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum, and the ceramic layer is carried out by thermal or vacuum ion-plasma methods or magnetron methods or electron beam evaporation and condensation in vacuum.

19. The method according to claim 11, characterized in that the deposition of metal coating layers is carried out by slip, or galvanic, or gas thermal, or vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum, and the ceramic layer is carried out gas thermal, or vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum.

20. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the heat-resistant alloy of the composition is used as the material of the metal sublayer: Cr — from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Ni - the rest or composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Co - from 16 to 30%; Ni - the rest or composition: Si - from 4.0 to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al - the rest, while the thickness of the heat-resistant layer is from 10 to 60 microns.

21. The method according to any one of claims 7, 9, 10, 12-14 and 16-19, characterized in that alloys of the composition are used as heat-resistant alloy: Cr — from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Ni - the rest or composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Co - from 16 to 30%; Ni — the rest or composition: Si — from 4.0 to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al is the rest.

22. The method according to claim 6, characterized in that as the material of the metal sublayer use a heat-resistant alloy composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Ni - the rest or composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Co - from 16 to 30%; Ni — the rest or composition: Si — from 4.0 to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al is the rest.

23. The method according to claim 8, characterized in that as the material of the metal sublayer use a heat-resistant alloy composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Ni - the rest or composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Co - from 16 to 30%; Ni - the rest or composition: Si - from 4.0 to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al is the rest.

24. The method according to claim 11, characterized in that the heat-resistant alloy of the composition is used as the material of the metal sublayer: Cr — from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Ni - the rest or composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Co - from 16 to 30%; Ni - the rest or composition: Si - from 4.0 to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al is the rest.

25. The method according to clause 15, wherein the material of the metal sublayer is used heat-resistant alloy composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Ni - the rest or composition: Cr - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Co - from 16 to 30%; Ni — the rest or composition: Si — from 4.0 to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al is the rest.

26. The method according to any one of claims 1 to 3, 5, 7, 9, 10, 12-14, 16-19 and 22-25, characterized in that after coating is applied, its diffusion annealing in vacuum is not lower than 10 ^-3 mmHg. or shielding gas medium, choosing a temperature in the range from 800 to 1300 ° C.

27. The method according to claim 6, characterized in that after coating the diffusion annealing is carried out in vacuum of at least 10 ^-3 mm Hg. or shielding gas medium, choosing a temperature in the range from 800 to 1300 ° C.

28. The method according to claim 8, characterized in that after applying the coating, diffusion annealing in vacuum is performed not worse than 10 ^-3 mm Hg. or shielding gas medium, choosing a temperature in the range from 800 to 1300 ° C.

29. The method according to claim 11, characterized in that after coating the diffusion annealing is carried out in a vacuum of at least 10 ^-3 mm Hg. or shielding gas medium, choosing a temperature in the range from 800 to 1300 ° C.

30. The method according to clause 15, wherein after coating the diffusion annealing is performed in a vacuum of at least 10 ^-3 mm Hg or a protective gas medium, choosing a temperature in the range from 800 to 1300 ° C.

31. The method according to any one of claims 1 to 3, 5, 7, 9, 10, 12-14, 16-19, 22-25 and 27-30, characterized in that nickel or cobalt blades are used as turbine blades heat resistant alloys.

32. Heat-proof coating, mainly for working blades of turbines of gas turbine engines and power plants, containing a metal sublayer deposited on the surface of the blade, a transition layer containing metal and ceramic phases and an external ceramic layer based on ZrO ₂ stabilized with Y ₂ O deposited on the transition layer _3, characterized in that the transition metal-ceramic layer is a multilayer the thickness of 8 to 150 microns of heat-resistant alloy based on nickel and cobalt additives Cr, Al, Y, Yb and stepper Menenius metal component content ratio in each layer from 1 to 20 wt.% in the direction from the transition metal sub-layer to the ceramic layer and with decreasing amounts of the metal component to the ceramic component 100 to 0% of the thickness of the transition layer.

33. The thermal barrier coating according to Claim 32, wherein the transition metal-ceramic layer is obtained by thermal spraying with a stepwise change in the ratio of metal to ceramic content in the range from 10 to 20 wt.% Per step with a step size of 4 to 8 μm, with a transition thickness layer from 40 to 100 microns.

34. The thermal barrier coating of claim 32, wherein the transition metal-ceramic layer is obtained by vacuum ion-plasma methods, or magnetron methods, or electron beam evaporation and condensation in vacuum with a step-by-step change in the ratio of metal to ceramic content in the range from 1 to 10 wt.% per step, with a step size of from 0.08 to 0.8 microns, with a transition layer thickness of from 8 to 100 microns.

35. The thermal barrier coating according to Claim 32, characterized in that heat-resistant alloys based on nickel and / or cobalt with Cr, Al, Y, Yb additives are used as the material of the metal sublayer, the thickness of the metal sublayer being from 8 to 60 μm, and a metal sublayer is deposited on the surface of the main material of the scapula subjected to ion-implantation treatment with ions of Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, or a combination thereof, with an ion energy of 0.2 to 30 keV and an ion implantation dose of 10 ¹⁰ to 5 · 10 ²⁰ ion / cm ² .

36. Thermal insulation coating according to any one of paragraphs 32-35, characterized in that the thickness of the ceramic layer is from 35 to 400 microns, and ZrO ₂ stabilized with Y ₂ O ₃ in the ratio Y is used as the material of the ceramic layer and ceramic in the transition layer ₂ O ₃ - 5 ... 9 wt.%, ZrO ₂ - the rest.

37. Thermal insulation coating according to clause 36, wherein the ceramic additionally contains from 4 to 36% of the oxides La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb and mixtures thereof.