RU2611738C2 - Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) - Google Patents
Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2611738C2 RU2611738C2 RU2015112812A RU2015112812A RU2611738C2 RU 2611738 C2 RU2611738 C2 RU 2611738C2 RU 2015112812 A RU2015112812 A RU 2015112812A RU 2015112812 A RU2015112812 A RU 2015112812A RU 2611738 C2 RU2611738 C2 RU 2611738C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- heat
- processing
- applying
- laser radiation
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
- B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
- B23K26/342—Build-up welding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области газотермического напыления покрытий, в частности к способам напыления жаростойких и теплозащитных покрытий, и может быть использовано для защиты деталей горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и наземных газотурбинных установок (ГТУ) от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.The invention relates to the field of thermal spraying of coatings, in particular to methods of spraying heat-resistant and heat-resistant coatings, and can be used to protect parts of the hot tract of aircraft gas turbine engines (GTE) and ground gas turbine installations (GTU) from exposure to high temperatures, erosive wear and corrosion.
Традиционно для защиты лопаток и других деталей горячего тракта от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии используются двухслойные теплозащитные покрытия (ТЗП). На поверхность детали сначала наносится металлический подслой для защиты от высокотемпературной коррозии и окисления. Сегодня самыми распространенными материалами жаростойких покрытий являются сплавы из систем M-Cr-Al-Y (M=Ni, Со, Fe) и Ni(Pt)-Al. Они термически и химически совместимы с жаропрочными сплавами на основе никеля или кобальта, из которых изготавливаются детали ГТД, и оказывают минимальное влияние на их свойства. В ходе эксплуатации ТЗП на поверхности металлического подслоя образуется защитная пленка (слой оксидов роста, TGO). Для обеспечения долговечности ТЗП, она должна состоять преимущественно из α-Al2O3, а ее формирование должно быть медленным, фазово-однородным и бездефектным. Такая пленка TGO имеет очень низкую анионную проводимость и благодаря этому создает превосходный диффузионный барьер, замедляя дальнейшее окисление металлического подслоя.Traditionally, to protect the blades and other parts of the hot tract from the effects of high temperatures, erosion, and corrosion, two-layer heat-protective coatings are used. A metal sublayer is first applied to the surface of the part to protect it from high temperature corrosion and oxidation. Today, the most common materials for heat-resistant coatings are alloys from the M-Cr-Al-Y (M = Ni, Co, Fe) and Ni (Pt) -Al systems. They are thermally and chemically compatible with heat-resistant alloys based on nickel or cobalt, from which GTE parts are made, and have a minimal effect on their properties. During the operation of TZP, a protective film (layer of growth oxides, TGO) is formed on the surface of the metal sublayer. To ensure the durability of TZP, it should consist mainly of α-Al 2 O 3 , and its formation should be slow, phase-homogeneous and defect-free. Such a TGO film has a very low anionic conductivity and therefore creates an excellent diffusion barrier, slowing down the further oxidation of the metal sublayer.
Верхний керамический слой ТЗП призван снизить температуру детали за счет низкой теплопроводности. В качестве верхнего керамического слоя ТЗП используются материалы на основе диоксида циркония, стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия (ZrO2-7Y2O3). Они обладают уникальным сочетанием свойств - они имеют один из самых низких коэффициентов теплопроводности (2,3 Вт/м⋅К при 1000°С для плотного материала) и стабильно высокий коэффициент термического расширения (11⋅10-6 1/°С в диапазоне 20-1000°С). Кроме того, они обладают выдающимися для керамического материала механическими свойствами - высокой вязкостью разрушения (K1C=2,5-3 МПа/м0,5), ударной вязкостью (Г~300 Дж/м2), модулем упругости (Е=160-210 ГПа) и твердостью (14 ГПа), что придает покрытию стойкость к эрозионному износу и термоциклическим нагрузкам. Применение этих материалов ограничено дестабилизацией тетрагональной фазы t'-ΖrΟ2→m-ZrO2+c-ZrO2 и, как следствие, фазовым переходом с изменением объема, высокой анионной проводимостью и высокой скоростью спекания, что определяет максимальную температуру их эксплуатации на уровне 1200°С.The upper ceramic layer TZP is designed to reduce the temperature of the part due to low thermal conductivity. Materials based on zirconia stabilized with 6-8% by weight of yttrium oxide (ZrO 2 -7Y 2 O 3 ) are used as the upper ceramic layer of TZP. They have a unique combination of properties - they have one of the lowest thermal conductivity coefficients (2.3 W / m⋅K at 1000 ° С for a dense material) and a stably high coefficient of thermal expansion (11⋅10 -6 1 / ° С in the range of 20 -1000 ° C). In addition, they have outstanding mechanical properties for ceramic material - high fracture toughness (K 1C = 2.5-3 MPa / m 0.5 ), impact strength (G ~ 300 J / m 2 ), elastic modulus (E = 160 -210 GPa) and hardness (14 GPa), which gives the coating resistance to erosion and thermal cyclic loads. The use of these materials is limited by the destabilization of the tetragonal phase t'-ΖrΟ 2 → m-ZrO 2 + c-ZrO 2 and, as a result, by a phase transition with a change in volume, high anionic conductivity and high sintering speed, which determines the maximum temperature of their operation at the level of 1200 ° C.
Верхний керамический слой традиционно наносят несколькими способами - физического осаждения из газовой фазы (EB-PVD) в вакууме и плазменного напыления (APS) на воздухе. Каждый из этих методов обладает своими преимуществами и недостатками, которые являются следствием радикального отличия в механизме формирования и микроструктуре получаемых покрытий. При плазменном напылении покрытие формируется при ударе расплавленных капель исходного порошка размером 10-120 мкм о подложку. Покрытие имеет слоистую микроструктуру с большим количеством пор и горизонтальных границ раздела. За счет такой структуры и пористости 10-20% теплопроводность покрытий заметно ниже, чем у плотных материалов. При осаждении из газовой фазы методом PVD покрытие формируется по механизму кинетического роста в виде столбчатых кристаллов, особенностями таких покрытий являются повышенная термостойкость и стойкость к эрозионному износу, а также низкая шероховатость поверхности.The upper ceramic layer is traditionally applied in several ways - physical vapor deposition (EB-PVD) in vacuum and plasma deposition (APS) in air. Each of these methods has its own advantages and disadvantages, which are the result of a radical difference in the formation mechanism and microstructure of the resulting coatings. In plasma spraying, a coating is formed upon impact of molten droplets of the initial powder 10-120 μm in size on the substrate. The coating has a layered microstructure with a large number of pores and horizontal interfaces. Due to this structure and porosity of 10-20%, the thermal conductivity of coatings is noticeably lower than that of dense materials. During deposition from the gas phase by the PVD method, the coating is formed by the kinetic growth mechanism in the form of columnar crystals, the features of such coatings are increased heat resistance and resistance to erosion wear, as well as low surface roughness.
Немаловажными преимуществами технологии APS является возможность нанесения покрытий на крупногабаритные детали, высокая производительность, а также сравнительно низкая стоимость оборудования и нанесения покрытия. По этой причине актуальными являются исследования, направленные на приближение характеристик теплозащитных покрытий, нанесенных методом APS, к покрытиям, нанесенным EB-PVD при незначительном увеличении стоимости.An important advantage of APS technology is the ability to coat large parts, high productivity, and the relatively low cost of equipment and coating. For this reason, studies aimed at approximating the characteristics of heat-protective coatings deposited by the APS method to coatings deposited by EB-PVD with a slight increase in cost are relevant.
Одной из технологий, позволяющих повысить эксплуатационные свойства ТЗП, нанесенных методом APS, является обработка поверхности концентрированными потоками энергии. Известны методы обработки поверхности ТЗП, основанные на применении электронного, ионного и лазерного луча (Клименов, В.А. Формирование структуры плазменных порошковых покрытий при высокоэнергетических воздействиях [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук (01.04.07) / Клименов В.А. - Томск, 2000. - 23 с.). При воздействии излучения на материал покрытия происходит его локальный разогрев и плавление. Наибольший интерес в настоящее время представляют процессы лазерной обработки ТЗП, так как они обеспечивают равномерное проплавление поверхностного слоя ТЗП на заданную глубину и наилучшим образом подходят по технологическим параметрам - не требуют применения вакуумных камер и обладают высокой производительностью.One of the technologies that can improve the operational properties of TPS deposited by the APS method is surface treatment with concentrated energy flows. Known are surface treatment methods for TZPs based on the use of an electron, ion, and laser beam (Klimenov, V.A. Formation of the structure of plasma powder coatings under high-energy influences [Text]: abstract of thesis for the degree of candidate of scientific sciences (01.04.07) / Klimenov V.A. - Tomsk, 2000 .-- 23 p.). Under the influence of radiation on the coating material, its local heating and melting occurs. The processes of laser processing of TZP are of greatest interest at present, since they ensure uniform penetration of the surface layer of TZP to a given depth and are best suited for the technological parameters - they do not require the use of vacuum chambers and have high performance.
Из уровня техники известен способ нанесения и лазерной обработки теплозащитного покрытия, включающий нанесение металлического жаростойкого подслоя, нанесение верхнего керамического слоя методом плазменного напыления и оплавление керамического слоя непрерывным твердотельным Nd:YAG-лазером с диодной накачкой (Ahmaniemi, S. Modified Thick Thermal Barrier Coatings [Текст]: Thesis for the degree of Doctor of Technology, Tampere University of Technology, 2004, 86 p.). Данное решение позволяет получить теплозащитное покрытие с низкой шероховатостью, однако имеет ряд существенных недостатков. При использовании для лазерной обработки твердотельных Nd:YAG-лазеров частой замене из-за низкого ресурса (300-500 часов) подлежит дорогостоящий кристалл иттрий алюминиевого граната. Кроме того, Nd:YAG-лазеры (с ламповой накачкой) имеют самый низкий КПД (~3%) и высокие требования к системе охлаждения.The prior art describes a method for applying and laser processing a heat-protective coating, including applying a metal heat-resistant sublayer, applying the upper ceramic layer by plasma spraying, and melting the ceramic layer with a continuous solid-state diode-pumped Nd: YAG laser (Ahmaniemi, S. Modified Thick Thermal Barrier Coatings [ Text]: Thesis for the degree of Doctor of Technology, Tampere University of Technology, 2004, 86 p.). This solution allows to obtain a heat-resistant coating with low roughness, however, it has a number of significant drawbacks. When using solid-state Nd: YAG lasers for laser processing, an expensive crystal of yttrium aluminum garnet is subject to frequent replacement due to a low resource (300-500 hours). In addition, Nd: YAG (lamp-pumped) lasers have the lowest efficiency (~ 3%) and high demands on the cooling system.
Известен способ нанесения и лазерной обработки теплозащитного покрытия, включающий нанесение металлического жаростойкого подслоя, нанесение верхнего керамического слоя методом плазменного напыления и оплавление керамического слоя непрерывным газовым СО2-лазером (Batista, С. Laser-glazing of Plasma-sprayed Thermal Barrier Coatings - Experimental and Computational Studies [Текст]: Thesis for the degree of Doctor of Materials Science, Unversidade do Minho, 2007, 149 p.). Данное решение позволяет получить теплозащитное покрытие с низкой шероховатостью, однако имеет ряд существенных недостатков. При использовании газовых СО2-лазеров невозможно обрабатывать детали сложной формы, так как излучение с длиной волны 10,6 мкм не может быть передано при помощи оптического волокна на оптическую систему. СО2-лазеры также имеют достаточно низкий КПД (~10%).A known method of applying and laser processing a heat-protective coating, including applying a metal heat-resistant sublayer, applying the upper ceramic layer by plasma spraying and melting the ceramic layer with a continuous gas CO 2 laser (Batista, C. Laser-glazing of Plasma-sprayed Thermal Barrier Coatings - Experimental and Computational Studies [Text]: Thesis for the degree of Doctor of Materials Science, Unversidade do Minho, 2007, 149 p.). This solution allows to obtain a heat-resistant coating with low roughness, however, it has a number of significant drawbacks. When using gas CO 2 lasers, it is impossible to process parts of complex shape, since radiation with a wavelength of 10.6 μm cannot be transmitted using an optical fiber to the optical system. CO 2 lasers also have a rather low efficiency (~ 10%).
Общим недостатком твердотельных Nd:YAG-лазеров и газовых СО2-лазеров является гауссово распределение энергии по сечению пучка. Для того чтобы на каждую единицу площади поверхности обрабатываемой детали приходилась одинаковая мощность лазерного излучения, необходимо выполнять последовательное сканирование поверхности лазерным лучом с частичным перекрытием соседних проходов. Именно в области перекрытия образуются дефекты в виде каверн и горизонтальных трещин, которые ограничивают ресурс обработанного покрытия.A common disadvantage of solid-state Nd: YAG lasers and gas CO 2 lasers is the Gaussian distribution of energy over the beam cross section. In order for each unit surface area of the workpiece to have the same laser radiation power, it is necessary to perform sequential scanning of the surface with a laser beam with a partial overlap of adjacent passages. It is in the overlap region that defects are formed in the form of caverns and horizontal cracks that limit the resource of the treated coating.
Ближайшим аналогом является техническое решение (US 5576069, дата публикации 19.11.1996, МПК С23С 4/10), в котором описывается способ нанесения многослойного теплозащитного покрытия, включающий нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение верхнего керамического теплозащитного слоя с последующей лазерной обработкой.The closest analogue is a technical solution (US 5576069, publication date 11/19/1996, IPC С23С 4/10), which describes a method of applying a multilayer heat-protective coating, including applying the main metal heat-resistant sublayer and applying the upper ceramic heat-protective layer with subsequent laser processing.
Основным недостатком данного решения является использование для лазерной обработки газового СО2-лазера, специфика которого описана выше. Кроме того, способ подразумевает нанесение специальной суспензии и повторную лазерную обработку. Данное решение и оборудование неприменимо для лазерной обработки крупногабаритных деталей и деталей сложной формы.The main disadvantage of this solution is the use for laser processing of a gas CO 2 laser, the specificity of which is described above. In addition, the method involves applying a special suspension and re-laser treatment. This solution and equipment is not applicable for laser processing of large-sized parts and parts of complex shape.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является продление ресурса деталей горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и наземных газотурбинных установок (ГТУ).The technical problem to which the invention is directed is to extend the life of the parts of the hot tract of aircraft gas turbine engines (GTE) and ground gas turbine installations (GTU).
Техническим результатом является повышение стойкости теплозащитных покрытий к воздействию высоких температур (термостойкости и жаростойкости), эрозии и коррозии с помощью оплавления верхнего керамического слоя.The technical result is to increase the resistance of heat-protective coatings to high temperatures (heat and heat resistance), erosion and corrosion by melting the upper ceramic layer.
В первом варианте изобретения желаемый технический результат достигается тем, что в способе нанесения многослойного теплозащитного покрытия, включающем нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение верхнего керамического теплозащитного слоя с последующей лазерной обработкой, лазерную обработку выполняют с использованием лазерного излучения, имеющего П-образное распределение энергии по сечению, причем задают выходные значения мощности в диапазоне 100-6000 Вт и скорость сканирования лазерного излучения от 0,01-1 м/с.In the first embodiment of the invention, the desired technical result is achieved by the fact that in the method of applying a multilayer heat-protective coating, including applying the main metal heat-resistant sublayer and applying the upper ceramic heat-protective layer, followed by laser processing, the laser processing is performed using laser radiation having a U-shaped energy distribution over cross-section, and set output power values in the range of 100-6000 W and the scanning speed of laser radiation from 0.01-1 m / s .
На материал детали после очистки и подготовки поверхности наносится металлический жаростойкий подслой, который может быть выполнен из материала на основе сплавов систем M-Cr-Al-Y (M-Ni, Со). Металлический подслой может быть нанесен одним или сочетанием методов плазменного напыления в вакууме (VPS), плазменного напыления на воздухе (APS), высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF), детонационного напыления (D-Gun), ионно-плазменного и электронно-лучевого напыления для получения покрытий с высокой адгезией и минимальным количеством дефектов (пор, трещин, включений). Металлический подслой может иметь толщину 20-350 мкм.After cleaning and preparing the surface, a metal heat-resistant sublayer is applied to the material of the part, which can be made of a material based on alloys of the M-Cr-Al-Y (M-Ni, Co) systems. The metal sublayer can be applied by one or a combination of plasma spraying in vacuum (VPS), plasma spraying in air (APS), high-speed flame spraying (HVOF), detonation spraying (D-Gun), ion-plasma and electron-beam spraying to obtain coatings with high adhesion and a minimum number of defects (pores, cracks, inclusions). The metal sublayer may have a thickness of 20-350 microns.
Затем на поверхность подслоя наносится верхний керамический теплозащитный слой, который может быть выполнен из материала на основе диоксида циркония, частично стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия (ZrO2-7 Y2O3). Верхний керамический слой может быть нанесен методом плазменного напыления на воздухе (APS) для получения покрытий с низким коэффициентом теплопроводности. Верхний керамический слой может иметь толщину 100-1000 мкм.Then, an upper ceramic heat-protective layer is applied to the surface of the sublayer, which can be made of a material based on zirconia partially stabilized by 6-8% by weight of yttrium oxide (ZrO 2 -7 Y 2 O 3 ). The upper ceramic layer can be applied by plasma spraying in air (APS) to obtain coatings with a low coefficient of thermal conductivity. The upper ceramic layer may have a thickness of 100-1000 μm.
После чего деталь с теплозащитным покрытием подвергается лазерной обработке с использованием лазерного излучения, имеющего П-образное распределение энергии по сечению (tophat).After that, a part with a heat-protective coating is subjected to laser processing using laser radiation having a U-shaped energy distribution over the cross section (tophat).
В качестве источника излучения для этого могут быть использованы диодные лазеры или волоконные лазеры со специальными оптическими системами (гомогенизаторами) с длиной волны в диапазоне 0,980-1,080 мкм. Обработку лазерным излучением выполняют в импульсном или непрерывном режиме.For this, diode lasers or fiber lasers with special optical systems (homogenizers) with a wavelength in the range of 0.980-1.080 μm can be used as a radiation source. Processing by laser radiation is performed in a pulsed or continuous mode.
В отличие от твердотельных или газовых, распределение энергии по сечению в данных лазерах близко к П-образному (отклонение не более 3%). В случае применения для лазерной обработки ТЗП это означает, что величина необходимого перекрытия соседних проходов и, следовательно, количество дефектов оплавленного слоя будет минимально. Кроме того, формируемый оплавленный слой будет обладать равномерной толщиной и высокой однородностью. Благодаря этому лазеры с П-образным распределением энергии лучше подходят для лазерной обработки ТЗП.Unlike solid-state or gas, the energy distribution over the cross section in these lasers is close to the U-shaped (deviation no more than 3%). In the case of applying TZP for laser processing, this means that the amount of necessary overlap of adjacent passages and, therefore, the number of defects in the melted layer will be minimal. In addition, the molten layer formed will have uniform thickness and high uniformity. Due to this, lasers with a U-shaped distribution of energy are better suited for laser processing of TZP.
Предпочтительно для лазерной обработки ТЗП использовать диодные лазеры. Устройство диодного лазера представлено диодной матрицей, представляющей собой водоохлаждаемую пластину (радиатор), на которой установлены лазерные диоды, при работе которых возникает инверсная населенность в p-n-переходе. Диодные моды (источники лазерного излучения) имеют высокий ресурс (>10000 часов), а КПД диодных лазеров достигает 50%. При эксплуатации диодных лазеров снижаются затраты на электроэнергию в 1,5-2 раза.It is preferable to use diode lasers for laser processing of TZP. The diode laser device is represented by a diode matrix, which is a water-cooled plate (radiator) on which laser diodes are mounted, during which an inverse population arises in the pn junction. Diode modes (laser radiation sources) have a high resource (> 10000 hours), and the efficiency of diode lasers reaches 50%. When using diode lasers, energy costs are reduced by 1.5-2 times.
Обработку лазерным излучением выполняют последовательным сканированием поверхности по линейной траектории без перекрытия соседних проходов или с перекрытием на величину до 30% диаметра пятна. Для обработки лазерное излучение фокусируют в виде круга, эллипса, линии, прямоугольника или используют расфокусированное лазерное излучение.Laser treatment is performed by sequential scanning of the surface along a linear path without overlapping adjacent passages or overlapping by up to 30% of the spot diameter. For processing, laser radiation is focused in the form of a circle, ellipse, line, rectangle, or defocused laser radiation is used.
Во втором варианте изобретения желаемый технический результат достигается тем, что в способе нанесения многослойного теплозащитного покрытия, включающем нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение верхнего керамического теплозащитного слоя с последующей лазерной обработкой, отличающемся тем, что лазерную обработку выполняют с использованием лазерного луча, имеющего П-образное распределение энергии по сечению, причем задают выходные значения мощности в диапазоне 100-6000 Вт и скорость сканирования лазерного луча от 0,01-1 м/с и затем повторно проводят лазерную обработку с использованием лазерного луча, имеющего П-образное распределение энергии по сечению, при этом задают выходное значение мощности в диапазоне 100-6000 Вт и скорость сканирования лазерного луча от 0,01-1 м/с.In the second embodiment of the invention, the desired technical result is achieved in that in the method of applying a multilayer heat-protective coating, comprising applying a main metal heat-resistant sublayer and applying an upper ceramic heat-protective layer, followed by laser processing, characterized in that the laser processing is performed using a laser beam having P- shaped distribution of energy over the cross-section, and output power values in the range of 100-6000 W and the scanning speed of the laser beam are set cha from 0.01-1 m / s and then re-carry out laser processing using a laser beam having a U-shaped energy distribution over the cross section, while setting the output power value in the range of 100-6000 W and the scanning speed of the laser beam from 0, 01-1 m / s.
Повторно обработку лазерным излучением могут выполнять последовательным сканированием поверхности по линейной траектории, перпендикулярной первичной.Repeated processing by laser radiation can be performed by sequential scanning of the surface along a linear path perpendicular to the primary.
В результате лазерной обработки образуется равномерный по толщине оплавленный стекловидный слой, характеризующийся высокой плотностью (пористость менее 0,1%), высокой твердостью, эрозионной стойкостью и низкой шероховатостью. Кроме того, благодаря формированию сетки вертикальных трещин в оплавленном слое, увеличивается термостойкость ТЗП.As a result of laser processing, a melted glassy layer is uniform in thickness, characterized by high density (porosity less than 0.1%), high hardness, erosion resistance, and low roughness. In addition, due to the formation of a network of vertical cracks in the molten layer, the heat resistance of the heat-resistant composite increases.
Заявляемый технический результат достигается только при выполнении в заявляемой последовательности нанесения слоев. В случае, если последовательность нанесения слоев, методы их нанесения и их толщины будут нарушены в силу вышеизложенного, технический результат достигнут не будет.The claimed technical result is achieved only when performed in the claimed sequence of applying layers. If the sequence of applying the layers, the methods of applying them and their thickness are violated due to the foregoing, the technical result will not be achieved.
ПримерExample
На поверхность образцов из никелевого сплава ХН60ВТ нанесли теплозащитное покрытие, включающее металлический подслой на никелевой основе (Ni-22Cr-10Al-1Y) толщиной 100 мкм, полученный методом плазменного напыления на воздухе, и верхний керамический слой на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO2-7Y2O3) толщиной 200 мкм, также полученный методом плазменного напыления на воздухе. После напыления образец с теплозащитным покрытием подвергается лазерной обработке по технологическим параметрам (Таблица 1):A heat-protective coating was applied to the surface of samples made of XH60BT nickel alloy, including a 100-micron-thick nickel-based metal sublayer (Ni-22Cr-10Al-1Y) obtained by plasma spraying in air and an upper ceramic layer based on zirconia partially stabilized with yttrium oxide (ZrO 2 -7Y 2 O 3 ) 200 microns thick, also obtained by plasma spraying in air. After spraying, a sample with a heat-protective coating is subjected to laser processing according to the technological parameters (Table 1):
По данным металлографического исследования, в результате лазерной обработки образцов №1-4 и №7-9 образовался оплавленный слой равномерной толщины. Слой характеризуется высокой плотностью и наличием вертикальных трещин, не проникающих вглубь покрытия. Поверхность оплавленного слоя имеет низкую шероховатость и глянцевый внешний вид.According to a metallographic study, as a result of laser processing of samples No. 1-4 and No. 7-9, a melted layer of uniform thickness was formed. The layer is characterized by high density and the presence of vertical cracks that do not penetrate deep into the coating. The surface of the fused layer has a low roughness and a glossy appearance.
По данным металлографического исследования, в результате лазерной обработки образца №6 оплавленный слой не образовался, а на образце №7 разрушилось теплозащитное покрытие.According to a metallographic study, as a result of laser processing of sample No. 6, a molten layer was not formed, and thermal protection coating was destroyed on sample No. 7.
По результатам испытаний образцов №1-4 и №7-9 на жаростойкость при температуре 1100°С продолжительностью 500 часов, трещин, отслоений и других дефектов не обнаружено.According to the test results of samples No. 1-4 and No. 7-9 for heat resistance at a temperature of 1100 ° C for a duration of 500 hours, cracks, delaminations and other defects were not detected.
По данным испытаний на термостойкость образцов №1-4 и №7-9, выполненных на стенде с односторонним нагревом образцов газовой горелкой до 1200°С, лазерная обработка позволяет увеличить ресурс теплозащитного покрытия не менее чем на 20%.According to the heat resistance tests of samples No. 1-4 and No. 7-9, performed on a bench with one-sided heating of the samples by a gas burner to 1200 ° C, laser processing allows to increase the heat-protective coating resource by at least 20%.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015112812A RU2611738C2 (en) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015112812A RU2611738C2 (en) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015112812A RU2015112812A (en) | 2016-10-27 |
| RU2611738C2 true RU2611738C2 (en) | 2017-02-28 |
Family
ID=57216075
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015112812A RU2611738C2 (en) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2611738C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2693716C1 (en) * | 2018-12-17 | 2019-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" | Method of producing a wear-resistant coating |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10069271B2 (en) | 2014-06-02 | 2018-09-04 | Nlight, Inc. | Scalable high power fiber laser |
| US9837783B2 (en) | 2015-01-26 | 2017-12-05 | Nlight, Inc. | High-power, single-mode fiber sources |
| US10050404B2 (en) | 2015-03-26 | 2018-08-14 | Nlight, Inc. | Fiber source with cascaded gain stages and/or multimode delivery fiber with low splice loss |
| WO2017008022A1 (en) | 2015-07-08 | 2017-01-12 | Nlight, Inc. | Fiber with depressed central index for increased beam parameter product |
| US10673197B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-based optical modulator |
| US10730785B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-08-04 | Nlight, Inc. | Optical fiber bending mechanisms |
| US10673198B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-coupled laser with time varying beam characteristics |
| CN109791252B (en) | 2016-09-29 | 2021-06-29 | 恩耐公司 | Adjustable beam characteristics |
| US10668537B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Systems for and methods of temperature control in additive manufacturing |
| US10673199B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-based saturable absorber |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4200669A (en) * | 1978-11-22 | 1980-04-29 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Laser spraying |
| JPS62235462A (en) * | 1986-04-04 | 1987-10-15 | Mitsubishi Electric Corp | Production of brake |
| US5155324A (en) * | 1986-10-17 | 1992-10-13 | Deckard Carl R | Method for selective laser sintering with layerwise cross-scanning |
| RU2105826C1 (en) * | 1995-05-19 | 1998-02-27 | Людмила Николаевна Димитриенко | Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces |
| US20100323118A1 (en) * | 2009-05-01 | 2010-12-23 | Mohanty Pravansu S | Direct thermal spray synthesis of li ion battery components |
-
2015
- 2015-04-08 RU RU2015112812A patent/RU2611738C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4200669A (en) * | 1978-11-22 | 1980-04-29 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Laser spraying |
| JPS62235462A (en) * | 1986-04-04 | 1987-10-15 | Mitsubishi Electric Corp | Production of brake |
| US5155324A (en) * | 1986-10-17 | 1992-10-13 | Deckard Carl R | Method for selective laser sintering with layerwise cross-scanning |
| RU2105826C1 (en) * | 1995-05-19 | 1998-02-27 | Людмила Николаевна Димитриенко | Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces |
| US20100323118A1 (en) * | 2009-05-01 | 2010-12-23 | Mohanty Pravansu S | Direct thermal spray synthesis of li ion battery components |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2693716C1 (en) * | 2018-12-17 | 2019-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" | Method of producing a wear-resistant coating |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015112812A (en) | 2016-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2611738C2 (en) | Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) | |
| Chwa et al. | Microstructures of ZrO2-8wt.% Y2O3 coatings prepared by a plasma laser hybrid spraying technique | |
| US8084086B2 (en) | Reliant thermal barrier coating system and related methods and apparatus of making the same | |
| Khan et al. | Behavior of air plasma sprayed thermal barrier coatings, subject to intense thermal cycling | |
| Ahmadi-Pidani et al. | Laser surface modification of plasma sprayed CYSZ thermal barrier coatings | |
| Dhineshkumar et al. | Enhancement of strain tolerance of functionally graded LaTi2Al9O19 thermal barrier coating through ultra-short pulse based laser texturing | |
| US4430360A (en) | Method of fabricating an abradable gas path seal | |
| Feng et al. | Femtosecond laser machining of single-crystal superalloys through thermal barrier coatings | |
| US20130095256A1 (en) | Impact and erosion resistant thermal and environmental barrier coatings | |
| Gisario et al. | Improvement of thermally sprayed WC–Co/NiCr coatings by surface laser processing | |
| Soleimanipour et al. | Improving the thermal shock resistance of thermal barrier coatings through formation of an in situ YSZ/Al 2 O 3 composite via laser cladding | |
| Khan et al. | Thermo-mechanical characterization of laser textured LaMgAl11O19/YSZ functionally graded thermal barrier coating | |
| Wolfe et al. | Functionally gradient ceramic/metallic coatings for gas turbine components by high-energy beams for high-temperature applications | |
| Matějíček et al. | The role of laser texturing in improving the adhesion of plasma sprayed tungsten coatings | |
| Dhineshkumar et al. | Enhanced ablation resistance through laser glazing of plasma sprayed LaTi2Al9O19-based functionally graded thermal barrier coating | |
| Koolloos | Behaviour of low porosity microcracked thermal barrier coatings under thermal loading | |
| Fan et al. | Microstructure evolution in yttria stabilized zirconia during laser hybrid induction modification | |
| Ray | Failure mode of thermal barrier coatings for gas turbine vanes under bending | |
| Góral et al. | Influence of low pressure plasma spraying parameters on MCrAlY bond coat and its microstructure | |
| Kumar et al. | Laser re-melting of atmospheric plasma sprayed high entropy alloy | |
| Godiwalla et al. | Investigation and modeling of mechanical properties for thermal barrier coatings under bending | |
| Vencl et al. | Thermal cycling behaviour of plasma sprayed NiCr-Al-Co-Y2O3 bond coat in thermal barrier coating system | |
| Akdoğan et al. | Surface modification of thermal barrier coatings by single-shot defocused laser treatments | |
| Ahmed et al. | Development of Air Plasma Thermal Spray Coating for Thermal Barrier Coating and Oxidation Resistance Applications on Ni-Base Super Alloys | |
| Shankar et al. | Laser remelting of plasma sprayed zirconia based ceramic coating for pyrochemical reprocessing applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |