RU2423551C2

RU2423551C2 - Способ формирования теплозащитного покрытия

Info

Publication number: RU2423551C2
Application number: RU2009135494/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Смыслов (RU); Анатолий Михайлович Смыслов; Марина Константиновна Смыслова (RU); Марина Константиновна Смыслова; Аскар Джамилевич Мингажев (RU); Аскар Джамилевич Мингажев; Антон Владимирович Новиков (RU); Антон Владимирович Новиков; Андрей Александрович Быбин (RU); Андрей Александрович Быбин; Сергей Петрович Павлинич (RU); Сергей Петрович Павлинич; Алиса Аскаровна Мингажева (RU); Алиса Аскаровна Мингажева
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис"
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-07-10
Also published as: RU2009135494A

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин и в особенности газовых турбин авиадвигателей. Способ включает формирование подслоя путем последовательного нанесения жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом. При этом в качестве состава переходного слоя используется смесь материала керамического слоя и составляющих жаростойкого сплава, образующих при диффузионном отжиге в начале жидкую легкоплавкую фазу, обеспечивающую смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем образующих тугоплавкое жаростойкое химическое соединение. Переходный и теплозащитные слои наносятся газотермическим методом, а в качестве наносимого материала для переходного слоя используется порошковая смесь, состоящая из материала керамического слоя от 1 до 99%; составляющих жаростойкого сплава - остальное, а для теплозащитного слоя - ZrO₂-Y₂O₃. Перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см². 21 з.п. ф-лы, 3 табл.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, и в особенности газовых турбин авиадвигателей.

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 - к ужесточению указанных условий эксплуатации и к повышению стоимости деталей. Все это требует применения на лопатках турбин более эффективных защитных покрытий.

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.

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.

Известен способ нанесения теплозащитного покрытия 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.

Известен также способ нанесения теплозащитного покрытия 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. Входящие 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

Наиболее близким по технической сущности является способ формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин, включающий. последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом (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. В известном способе нанесения теплозащитного покрытия (патент РФ №2078148) как первый так и второй слои являются жаростойкими и вместе образуют подслой под третий теплозащитный керамический слой.

Известен 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.

Основными недостатками прототипа являются низкая адгезионная прочность на границе подслой - керамический слой, а также недостаточная жаростойкость, выносливость и циклическая прочность деталей с покрытием, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и установок.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение адгезионной прочности на границе подслой - керамический слой при одновременном повышении жаростойкости подслоя, выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин, включающем последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом, в отличие от прототипа, переходный слой наносят из порошка, содержащего от 1 до 99% материала керамического слоя и остальное - сплав, содержащий элементы сплава жаростойкого слоя, причем порошок представляет собой частицы керамического порошка, покрытые оболочкой, состоящей из сплава, содержащего составляющие жаростойкого сплава, при этом переходный слой наносят газотермическим методом с обеспечением керамической составляющей по толщине переходного слоя, плавно изменяющейся от 1% до 99%, а диффузионный отжиг проводят с образованием в начале жидкой легкоплавкой фазы, обеспечивающей смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем тугоплавкого жаростойкого химического соединения, при этом возможны следующие варианты: в качестве составляющих жаростойкого сплава используют химические элементы, образующие алюминидные соединения; в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, масс.%: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; В - от 0,1% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 1,2% до 3,6%; Si - от 3% до 16%; Y - от 1, 0% до 2,1%; Al - остальное; наносят жаростойкий слой из сплава следующего состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия жаростойкий слой наносят шликерным или газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а внешний керамический слой наносят газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9% вес, ZrO₂ - остальное.

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

Технический результат достигается также тем, что в способе формирования теплозащитного покрытия толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

Использование процесса смачивания керамического материала в подслое (подслой может состоять из нескольких слоев, а также включать переходный слой, т.е. подслой должен обеспечивать жаростойкость и адгезионную прочность между подслоем и керамическим внешним слоем) в процессе диффузионного отжига, в результате соединения металлических составляющих переходного слоя из жидкого в кристаллическое состояние позволяет сформировать армирующую фазу переходного слоя, с одной стороны, хорошо сцепленную с нижележащим жаростойким слоем, а с другой - внедренную в керамический слой. В результате этого в переходной зоне подслой - керамический слой формируется анкерное соединение, значительно улучшающее прочность сцепления на границе подслой - керамический слой. В заявляемом способе формируется сложный подслой, включающий в себя жаростойкий слой и сформированный на нем переходный слой. При этом переходный слой состоит частично из сплава, содержащего элементы сплава жаростойкого слоя и частично из материала керамического слоя.

Для оценки стойкости лопаток газовых турбин с теплозащитными покрытиями, полученными по известному и предлагаемому способам, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения покрытий 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.

Табл.1
№ Группы образцов	Ионы, имплантируемые в основу	Ионы, имплантируемые в покрытие	Жаростойкий слой	Переходный слой (составляющие жаростойкого сплава)	Дополнительный слой на поверхности лопатки	Дополнительный слой на внутреннем слое
Прототип	-	-	Co - 20% Cr - 30% Al - 13% Y - 0,6% Ni - ост.	Si - 12% Ni - 10% В - 1,6% Al - ост.	-	-
1	Nb	Y+Pt	Cr - 18% Al - 3% Y - 0,2% Ni - ост.	Si - 4,0% Y - 1,0% Al - ост.	Nb, толщ. 0,1 мкм	Nb, толщ. 0,1 мкм
2	Yb	Y+Cr
3	Yb+Nb	Y+Cr				Pt, толщ. 0,1 мкм
4	Pt	Nb
5	Y	Nb	Cr - 30%, Al - 16%, Y - 0,65%, Ni - ост.	Si-12,0% Y - 2,0% Al - ост.	Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм	Nb, толщ. 2,0 мкм
6	Y+Pt	Yb
7	Y+Cr	Yb			Nb, толщ. 2,0 мкм	Cr, толщ. 0,1 мкм
8	Y+Cr	Pt
9	Hf+Nb	Y	Cr - 22% Al - 11%, Y - 0,5%, Ni - ост.	Si - 6,0% Y - 1,5% Al - ост.	Pt, толщ. 0,1 мкм	Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
10	La+Nb+Y	Cr+Si
11	Yb+Nb	Yb+Nb			Cr, толщ. 0,1 мкм	Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
12	Si+Cr	Hf+Nb
13	Y	Y	Cr - 24% Al - 8%, Y - 0,4% Ni - ост.	Si - 8,0% Y - 1,0% Al - ост.	Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 2,0 мкм
14	Pt	Nb
15	Cr+Si	Pt			Pt, толщ. 2,0 мкм	Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
16	Nb	Cr+Si
17	La	Hf	Cr - 26% Al - 10%, Y - 0,3%, Ni - ост.	Si - 10% Y - 2,0% Al - ост.	Cr, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 0,1 мкм
18	La	La
19	Yb+Nb	Yb			Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм	Cr, толщ. 2,0 мкм
20	Yb	Yb
21	Y	Y	Cr - 34% Al - 8%, Y - 0,4% Ni - ост.	Cr - 18% Al - 16% Y - 0,2% Ni - ост	Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 2,0 мкм
22	Pt	Nb
23	Cr+Si	Pt			Pt, толщ. 2,0 мкм	Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
24	Nb	Cr+Si
25	Hf+Nb	Y	Cr - 22% Al - 16%, Y - 0,7%, Ni - ост.	Cr - 34% Al - 3% Y - 0,7% Ni - ост	Pt, толщ. 0,1 мкм	Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
26	La+Nb+Y	Cr+Si
27	Yb+Nb	Yb+Nb			Cr, толщ. 0,1 мкм	Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
28	Si+Cr	Hf+Nb
29	Nb	Y+Pt	Cr - 18% Al - 3% Y - 0,2% Ni - ост.	Cr - 34% Al - 3% В - 0,7% Ni - ост	Nb, толщ. 0,1 мкм	Nb, толщ. 0,1 мкм
30	Yb	Y+Cr
31	Yb+Nb	Y+Cr				Pt, толщ. 0,1 мкм
32	Pt	Nb
33	Y	Y	Cr - 24% Al - 8%, Y - 0,4% Ni - ост.	Cr - 18% Al - 16% B - 0,1% Ni - ост	Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 2,0 мкм
34	Pt	Nb
35	Cr+Si	Pt			Pt, толщ. 2,0 мкм	Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
36	Nb	Cr+Si
37	La	Hf	Cr - 26% Al - 10%, Y - 0,3%. Ni - ост.	Cr - 1,2% Si - 3% Y - 1,0% Al - ост.	Cr,толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 0,1 мкм
38	La	La
39	Yb+Nb	Yb			Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм	Cr, толщ. 2,0 мкм
40	Yb	Yb
41	La	Hf	Cr - 26% Al - 10%, Y - 0,3%, Ni - ост.	Cr - 3,6% Si - 16% Y - 2,1% Al - ост.	Cr,толщ. 2,0 мкм	Pt, толщ. 0,1 мкм
42	La	La
43	Yb+Nb	Yb			Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм	Cr, толщ. 2,0 мкм
44	Yb	Yb

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 5·10²⁰ион/см². Материал слоев и схема их чередования - согласно таблице 1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу подслой: жаростойкий слой - толщиной 40 мкм и 80 мкм и переходный слой - 80 мкм и 40 мкм; внешний керамический слой от 50 мкм и 200 мкм.

При формировании по предлагаемому способу подслой состоял из: жаростойкого слоя толщиной от 12 до 70 мкм и переходного слоя толщиной от 5 до 30 мкм; толщина внешнего керамического слоя составляла от 50 до 400 мкм. Керамический и переходные слои наносились газотермическим (плазменным) методом, а в качестве наносимого материала использовались: для переходного слоя порошковая смесь, состоящая из материала керамического слоя от 1 до 99% (ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении: Y₂O₃ - 5.% вес, ZrO₂ - остальное; Y₂O₃ - 7.% вес, ZrO₂ - остальное) и составляющих жаростойкого сплава (согласно табл.1) - остальное; керамическая составляющая по толщине переходного слоя плавно изменялась от 1% до 99%. Диффузионный отжиг покрытия с лопаткой производился в вакууме при температуре 1050°С в течение 4 ч.

Были также 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°С) на воздухе. В результате проведенных испытаний было установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток составляет:

1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 220-235 МПа;

2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 250-285МПа, кобальтовые - 245-270 МПа (таблица 2);

Табл.2
Никелевые сплавы				Кобальтовые сплавы
№ групп. образ	Величина σ_-1, МПа	№ групп. образ	Величина σ_-1, МПа	№ групп. образ	Величина σ_-1, МПа	№ групп. образ	Величина σ_-1, МПа
1	260	23	270	1	240	23	250
2	265	24	280	2	250	24	250
3	265	25	260	3	250	25	235
4	270	26	265	4	240	26	250
5	280	27	280	5	250	27	250
6	275	28	270	6	245	28	245
7	260	29	280	7	250	29	250
8	270	30	275	8	250	30	245
9	280	31	260	9	240	31	245
10	275	32	275	10	250	32	250
11	275	33	280	11	245	33	245
12	280	34	270	12	245	34	245
13	270	35	270	13	250	35	245
14	275	36	285	14	250	36	245
15	265	37	270	15	250	37	250
16	280	38	270	16	240	38	250
17	280	39	265	17	250	39	235
18	270	40	260	18	245	40	240
19	265	41	285	19	250	41	250
20	280	42	275	20	240	42	245
21	260	43	260	21	250	43	250
22	265	44	275	22	235	44	240

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 Т=1200°С. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялось путем визуального осмотра через каждые 50 ч испытаний при температуре 1200°С. 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 ΔР, г/м². Полученные результаты представлены в таблице 3.

Табл.3
№ группы образцов	Циклическ. жаростойкий цикл	Изотермическая жаростойкость,			№ группы образцов	Циклическ. жаростойкий цикл	Изотермическая жаростойкость,
		τ, ч	ΔР, г/м²				τ, ч	ΔР, г/м²
		τ, ч	500 ч	1000 ч			τ, ч	500 ч	1000 ч
Прототип	550	350	7,4	13,1	23	800	700	6,3	10,1
1	700	700	6,1	9,4	24	900	850	4,4	8,8
2	700	600	5,8	10,8	25	850	700	5,9	9,1
3	800	600	6,3	10,2	26	900	800	3,6	7,9
4	800	750	4,4	9,8	27	950	850	3,4	7,8
5	850	700	5,9	9,2	28	700	650	6,2	9,9
6	800	750	3,6	7,7	29	900	850	4,1	8,7
7	950	850	3,4	7,9	30	800	700	5,7	10,2
8	800	600	6,2	9,8	31	900	850	4,5	8,8
9	900	850	4,1	8,5	32	750	650	5,6	9,7
10	850	750	5,7	10,1	33	750	600	5,8	10,1
11	900	800	4,5	9,6	34	900	800	4,3	9,9
12	750	650	5,6	9,8	35	850	750	4,9	9,4
13	700	600	5,8	9,1	36	900	850	4,4	8,8
14	950	700	4,3	9,9	37	800	750	5,1	8,9
15	850	750	4,9	9,4	38	800	650	5,4	8,7
16	900	850	4,4	8,5	39	850	700	5,3	9,3
17	800	700	5,1	8,9	40	800	700	5,7	9,9
18	850	650	5,4	8,7	41	800	700	5,1	8,9
19	700	800	5,3	9,3	42	800	650	5,4	8.7
20	800	700	5,7	9,3	43	850	750	5,3	9,3
21	750	650	6,1	10,5	44	800	700	5,7	9,9
22	800	600	5,8	9,9

Стойкость покрытий к теплосменам оценивалось по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл термосмены представлял собой нагрев образца до 1150°С, температурную выдержку в течение 15 мин и охлаждение в воде до температуры 20°С. После каждого цикла теплосмены по наличию отслоений оценивалось стойкость покрытия. Данные по сравнительным испытаниям на термостойкость показали, что в среднем количество теплосмен до разрушения у покрытия-прототипа составило 36 циклов, а у покрытий, нанесенных по предлагаемому способу - от 51 до 93 циклов.

Кроме того, в результате проведенных испытаний было также установлено, что по сравнению с прототипом площадь отслоений керамического слоя после высокотемпературных испытаний образцов, а также в процессе усталостных испытаний уменьшилась в среднем от 5,5 до 8,1 раза для никелевых и от 4,3 до 7,7 раз для кобальтовых сплавов, что указывает на повышение адгезионной прочности покрытия на границе подслой - керамический слой.

Повышение стойкости покрытий к теплосменам, жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3) указывают на то, что при применении следующих вариантов формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин: последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом; переходный слой наносят из порошка, содержащего от 1 до 99% материала керамического слоя и остальное - сплав, содержащий элементы сплава жаростойкого слоя, причем порошок представляет собой частицы керамического порошка, покрытые оболочкой, состоящей из сплава, содержащего составляющие жаростойкого сплава; переходный слой наносят газотермическим методом с обеспечением керамической составляющей по толщине переходного слоя, плавно изменяющейся от 1% до 99%; диффузионный отжиг проводят с образованием в начале жидкой легкоплавкой фазы, обеспечивающей смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем тугоплавкого жаростойкого химического соединения; в качестве составляющих жаростойкого сплава используют химические элементы, образующие алюминидные соединения; в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, масс.%: Si - от 4,0% до 12, 0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; B - от 0, 1% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав, содержащий, масс.%: Cr - от 1,2% до 3,6%; Si - от 3% до 16%; Y - от 1, 0% до 2,1%; Al - остальное; наносят жаростойкий слой из сплава следующего состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное; жаростойкий слой наносят шликерным или газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а внешний керамический слой наносят газотермическим или вакуумными ионно-плазменными методами или магнетронными методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см²; в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9% вес, ZrO₂ - остальное; перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см²; толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм, и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм, достигается технический результат заявляемого изобретения - повышается адгезионная прочность на границе подслой - керамический слой при одновременном повышении жаростойкости подслоя, выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.

Claims

1. Способ формирования теплозащитного покрытия на рабочих лопатках турбин, включающий последовательное нанесение жаростойкого, переходного и внешнего керамического слоев с последующим диффузионным отжигом, отличающийся тем, что переходный слой наносят из порошка, содержащего от 1 до 99% материала керамического слоя и остальное - сплав, содержащий элементы сплава жаростойкого слоя, причем порошок представляет собой частицы керамического порошка, покрытые оболочкой, состоящей из сплава, содержащего составляющие жаростойкого сплава, при этом переходный слой наносят газотермическим методом с обеспечением керамической составляющей по толщине переходного слоя плавно изменяющейся от 1 до 99%, а диффузионный отжиг проводят с образованием вначале жидкой легкоплавкой фазы, обеспечивающей смачивание керамической составляющей переходного слоя, а затем - тугоплавкого жаростойкого химического соединения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве составляющих жаростойкого сплава используют химические элементы, образующие алюминидные соединения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Si - от 4,0 до 12, %; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; B - от 0,1 до 0,7%; Ni - остальное.

6. Способ по п,2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого сплава, содержащего алюминидные соединения, используют сплав, содержащий, мас.%: Cr - от 1,2 до 3,6%; Si - от 3 до 16%; Y - от 1,0 до 2,1%; Al - остальное.

7. Способ по любому из пп.1 и 3-6, отличающийся тем, что наносят жаростойкий слой из сплава следующего состава: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное, или из сплава состава: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что жаростойкий слой наносят шликерным или газотермическим, или вакуумными ионно-плазменными методами, или магнетронными методами, или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а внешний керамический слой наносят газотермическим, или вакуумными ионно-плазменными методами, или магнетронными методами, или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

9. Способ по любому из пп.1, 3-6 и 8, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

13. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃, в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя наносят ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

16. Способ по любому из пп.1, 3-6, 8, 10, 11 и 13-15, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

17. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

18. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед нанесением жаростойкого слоя на поверхность лопатки дополнительно наносят слой из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 до 2,0 мкм, а после нанесения жаростойкого слоя производят ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см².

19. Способ по любому из пп.1, 3-6, 8, 10-11, 13-15 и 17-18, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

20. Способ по п.2, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

21. Способ по п.7, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.

22. Способ по п.9, отличающийся тем, что толщины слоев в покрытии составляют: жаростойкого слоя от 12 до 70 мкм, переходного слоя от 5 до 30 мкм, и внешнего керамического слоя от 50 до 400 мкм.