RU2662520C1 - Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов - Google Patents

Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов Download PDF

Info

Publication number
RU2662520C1
RU2662520C1 RU2017118775A RU2017118775A RU2662520C1 RU 2662520 C1 RU2662520 C1 RU 2662520C1 RU 2017118775 A RU2017118775 A RU 2017118775A RU 2017118775 A RU2017118775 A RU 2017118775A RU 2662520 C1 RU2662520 C1 RU 2662520C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
layer
zro
mosi
carbon
Prior art date
Application number
RU2017118775A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Николаевич Аникин
Дмитрий Юрьевич Синицын
Денис Валерьевич Кузнецов
Сергей Александрович Еремин
Анастасия Михайловна Колесникова
Сергей Юрьевич Лукьянычев
Андрей Григорьевич Юдин
Иван Владимирович Малинин
Николай Григорьевич Зайцев
Константин Олегович Чупрунов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов" (ФГУП "ВНИИТС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов" (ФГУП "ВНИИТС") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов" (ФГУП "ВНИИТС")
Priority to RU2017118775A priority Critical patent/RU2662520C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2662520C1 publication Critical patent/RU2662520C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для деталей, работающих одновременно в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, а именно для сопловых лопаток газотурбинных двигателей, испытывающих воздействие высокоскоростных газовых потоков, резкие смены температуры, эрозию и коррозию, и авиационных и космических аппаратов, испытывающих воздействие набегающего потока диссоциированного воздуха в атмосфере со скоростью выше 2000 м/с. Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов содержит жаростойкий подслой и внешний слой из стабилизированного диоксида циркония (ZrO2-Y2O3), причем подслой выполнен из никелевого сплава Ni23Co20Cr8AlY, а внешний слой дополнительно содержит дисилицид молибдена (MoSi2) при следующем соотношении компонентов, вес.%: стабилизированный диоксид циркония (ZrO2-Y2O3) - 10-20, дисилицид молибдена (MoSi2) - остальное, при этом внешний слой покрытия (MoSi2-ZrO2-Y2O3) имеет толщину 250-300 мкм, а подслой (Ni23Co20Cr8AlY) - 20-40 мкм. Изобретение направлено на создание покрытия, обладающего эффектом самозалечивания и на снижение термических напряжений слоев покрытия. 1 пр., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для деталей, работающих одновременно в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, а именно для сопловых лопаток газотурбинных двигателей, испытывающих воздействие высокоскоростных газовых потоков, резкие смены температуры, эрозию и коррозию, и авиационных и космических аппаратов, испытывающих воздействие набегающего потока диссоциированного воздуха в атмосфере со скоростью выше 2000 м/с. Для повышения срока службы и эксплуатационной стойкости этих изделий применяются жаростойкие покрытия.
Известно применение покрытия на основе Al2O3 (35 весовых долей, %), где одним из вторых оксидов металлов является TiO2, а также 10 весовых долей, % Al2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, Te2O5 и V2O5 (патент России №2332522, C23C 4/10, опубл. 26.02.2003 г.). Данное покрытие является аморфным, одной из кристаллических фаз является
Figure 00000001
.
Недостатком данного покрытия является высокая хрупкость, присущая системе Al2O3-TiO2, а добавки на основе SiO2, V2O5, P2O5, As2O3 не снижают хрупкость, зато резко уменьшают температуру плавления многокомпонентной смеси, тем самым понижая максимальную температуру эксплуатации покрытия. Высокие напряжения возникают из-за разницы коэффициента термического расширения углерод-углеродного керамического материала и материала покрытия.
Известен способ формирования на поверхности вольфрама газонепроницаемой защитной оксидной керамики типа WSi2O7 или WO32SiO2 (патент России №2032763, C23C 10/00, публ. 10.04.1995 г.) Недостатком покрытия является неприменимость его к другим тугоплавким металлам кроме вольфрама, а также ограниченная жаростойкость - до температуры 2000°C. Кроме того, при использовании этого покрытия на поверхности молибдена, появляется летучий MoO3, образующий легкоплавкие эвтектики.
Наиболее близким техническим решением является использование керамического покрытия на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO2-Y2O3) с предварительно нанесенным адгезионным слоем или связующим слоем MeCrAlY, где металл Me - Ni, Со, Cr. (патент России №2445199, B23P 6/00, C23C 14/06, опубл. 20.03.2012 г.).
Недостатком такого покрытия является возникновение термических напряжений между слоями, приводящих к разрушению. Также керамическое покрытие разрушается из-за того, что внешний слой и подложка имеют разные коэффициенты термического расширения (КТР), что приводит к растрескиванию покрытия и к окислению самого изделия.
Задачей предложенного технического решения является устранить недостатки известных технических решений, снизить термические напряжения слоев покрытия и создать покрытие, обладающее эффектом самозалечивания.
Поставленная задача решается за счет того, что двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, включающее жаростойкий подслой никелевого сплава (Ni23Co20Cr8AlY) и внешний слой стабилизированного диоксида циркония (ZrO2-Y2O3), последний дополнительно содержит дисилицид молибдена при следующем соотношении компонентов, вес.%:
стабилизированный диоксид циркония (ZrO2-Y2O3) - 10-20
дисилицид молибдена (MoSi2) - остальное,
а слои покрытия имеют толщину:
внешний слой (MoSi2-ZrO2-Y2O3) - 250-300 мкм
подслой (Ni23Co20Cr8AlY) - 20-40 мкм.
Введение во внешний слой покрытия дисилицида молибдена позволяет устранить недостатки, связанные с термическими напряжениями и низкой адгезией, присущей керамике на основе ZrO2. Также, несмотря на образование летучего MoO3 при окислении, типичном для плазменного процесса, возникает тугоплавкий Mo5Si3 с температурой плавления Тпл=2180°C по реакции
Figure 00000002
Figure 00000003
В дальнейшем при эксплуатации образуется циркон по реакции (2) и предотвращает испарение стекловидной фазы кремнезема, что обеспечивает самовосстановление (самозалечивание) покрытия.
Кроме того, образование в исходном покрытии, согласно рентгенофлуоресцентному анализу (РФА), высокотемпературной кубической фазы диоксида циркония, стабилизированной для предохранения от полиморфных превращений, и шпинели состава Yo,15ZrO,85O1,93, обеспечивает пластичный характер деформирования покрытия при давлении тормозного потока. Такой вывод был сделан по результатам проведенных испытаний. Для качественной оценки воздействия тормозного потока на образец с покрытием предложенного состава был подготовлен пуансон цилиндрической формы и размером меньше, чем размер экспериментального образца. Подобранный размер пуансона позволил получить две области результатов испытания. Одна область подвергалась только высокотемпературному нагреву, а вторая область подвергалась высокотемпературному нагреву и воздействию давящего усилия пуансоном. В результате на образце выявлен плавный переход из зоны покрытия без воздействия давящего усилия в зону покрытия, подвергавшуюся воздействию давящего усилия и отсутствие трещин на поверхности покрытия. Это говорит о том, что под воздействием давящего усилия покрытие пластически деформируется, при этом сохраняется его целостность, а отсутствие трещин как на поверхности, так и на поперечном изломе говорит о его высокой прочности.
Состав и строение покрытия выбраны на основе представления о низких коэффициентах термического расширения (КТР), согласованности их друг с другом от одного слоя к другому, термостойкости и высокой отражательной способности.
Согласно критерию Кинджери термостойкость покрытия прямо пропорциональна пределу прочности на растяжение σраст и теплопроводности λ, обратно пропорциональна КТР α и модулю Юнга Е, а жаростойкость растет с увеличением толщины слоя покрытия. На основании этих критериев и проведенных испытаний была выбрана толщина слоев покрытия, а именно толщина внешнего слоя покрытия MoSi2-ZrO2-Y2O3 составляет 250-300 мкм, а толщина подслоя Ni23Co20Cr8AlY - 20-40 мкм.
Пример
Были изготовлены образцы изделий из углерод-углеродного композиционного материала с предложенным двухслойным жаростойким покрытием с различным содержанием входящих в поверхностный слой компонентов. В качестве барьерного слоя (подслоя) для повышения адгезии, противостояния тепловому потоку и снижения механических повреждений поверхности изделий, использован мелкозернистый - с фракцией 38 мкм - сплав Ni23Co20Cr8AlY с наибольшей жаростойкостью и высокой коррозионной стойкостью, растущей с увеличением количества алюминия и хрома. Его КТР составляет порядка 10×10-6 1/К. Толщина подслоя составляла 20-40 мкм.
Предварительно образцы подвергали отжигу в вакуумной печи в течение 1,5 часа при температуре 1200°С для снятия остаточных напряжений и удаления газовых включений на поверхности. Нанесение покрытий происходило на расстоянии 130 мм от сопла, скорости подачи аргона 35 л/мин и водорода 9 л/мин, при линейной скорости движения плазмотрона по образцу 75 м/мин, скорости подачи порошка 40 г/мин и токе 600 А.
Толщина жаростойкого подслоя (состоящего после нанесения из нестехиометрического интерметаллида Al1,1Ni0,9, типа CsCl с ОЦК решеткой на границе с подложкой, и кубической структуры типа NaCl с ГЦК решеткой с растворенными Al, Ni, Со, Cr с внешней поверхности, согласно РФА) влияет на фазовый состав покрытия и, при толщине 20-40 мкм, способствует образованию t'-фазы и наименьшему содержанию остаточной моноклинной фазы (менее 4%), что положительно сказывается на работе покрытия.
Были изготовлены вышеуказанным способом образцы изделий с различным содержанием MoSi2 и толщиной подслоя 100-150 мкм и 20-40 мкм, которые подвергли испытаниям на трехточечный изгиб. Результаты испытания этих образцов приведены в таблице 1.
Figure 00000004
Figure 00000005
Испытания на трехточечный изгиб образцов показал значительное увеличение прочности покрытия при уменьшении толщины подслоя, а увеличение доли MoSi2 повышает вязкость покрытия, деформирующегося пластически под воздействием давления тормозного потока. С уменьшением толщины подслоя и увеличением доли дисилицида молибдена возрастает прочность образцов с покрытиями на трехточечный изгиб.
Все образцы были испытаны на жаростойкость при условиях, приближенных к воздействию воздушного потока на летательные аппараты.
Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Figure 00000006
Figure 00000007
Как видно из таблицы, существует наиболее подходящая доля дисилицида молибдена (MoSi2) - 80-90 масс. % в покрытии, при которой изменение массы при эксплуатации образца с предложенным покрытием в окислительном газоплазменном потоке достаточно мало, а количество жидкого стекла, образующегося при высокой температуре, достаточно для залечивания возникающих в покрытии трещин. При доле стабилизированного диоксида циркония (ZrO2 - 8% вес. Y2O3) более 20% вес. происходит сдув жидкого стекла набегающим потоком и, как следствие, отсутствие защиты от потока агрессивных частиц диссоциированного воздуха, что приводит к перегреву покрытия, его окислению и возникновению термических напряжений, приводящих к растрескиванию. При недостаточной доле стабилизированного диоксида циркония (ZrO2 - 8% вес. Y2O3 менее 10% вес.) жидкого стекла недостаточно для залечивания трещин и отражения потока, и поверхность покрытия растрескивается, и происходит сильнейшее окисление и прогорание подложки.

Claims (3)

  1. Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, содержащее жаростойкий подслой и внешний слой из стабилизированного диоксида циркония (ZrO2-Y2O3), отличающееся тем, что оно содержит подслой из никелевого сплава Ni23Co20Cr8AlY, а внешний слой дополнительно содержит дисилицид молибдена (MoSi2) при следующем соотношении компонентов, вес.%:
  2. стабилизированный диоксид циркония (ZrO2-Y2O3) 10-20 дисилицид молибдена (MoSi2) остальное,
  3. при этом внешний слой покрытия (MoSi2-ZrO2-Y2O3) имеет толщину 250-300 мкм, а подслой (Ni23Co20Cr8AlY)- 20-40 мкм.
RU2017118775A 2017-05-30 2017-05-30 Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов RU2662520C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017118775A RU2662520C1 (ru) 2017-05-30 2017-05-30 Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017118775A RU2662520C1 (ru) 2017-05-30 2017-05-30 Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2662520C1 true RU2662520C1 (ru) 2018-07-26

Family

ID=62981715

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017118775A RU2662520C1 (ru) 2017-05-30 2017-05-30 Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2662520C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113996783A (zh) * 2021-10-09 2022-02-01 中国航发北京航空材料研究院 裂纹愈合热障涂层粉体材料的制备方法
RU2821967C1 (ru) * 2023-09-15 2024-06-28 Андрей Олегович Дерягин Порошковая композиция для теплозащитного покрытия

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2032763C1 (ru) * 1991-07-08 1995-04-10 Научно-производственное объединение "Композит" Способ защиты тугоплавких металлов от окисления
RU2069208C1 (ru) * 1992-08-13 1996-11-20 Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита Состав для нанесения защитного покрытия на углеродные изделия
US6254975B1 (en) * 1997-10-22 2001-07-03 Dornier Gmbh Ceramic composite
RU2445199C2 (ru) * 2010-03-25 2012-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" Способ упрочнения блока сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов
RU2506251C2 (ru) * 2008-06-06 2014-02-10 Снекма Пропюльсьон Солид Способ получения самовосстанавливающегося слоя на детали из композитного материала углерод/углерод

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2032763C1 (ru) * 1991-07-08 1995-04-10 Научно-производственное объединение "Композит" Способ защиты тугоплавких металлов от окисления
RU2069208C1 (ru) * 1992-08-13 1996-11-20 Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита Состав для нанесения защитного покрытия на углеродные изделия
US6254975B1 (en) * 1997-10-22 2001-07-03 Dornier Gmbh Ceramic composite
RU2506251C2 (ru) * 2008-06-06 2014-02-10 Снекма Пропюльсьон Солид Способ получения самовосстанавливающегося слоя на детали из композитного материала углерод/углерод
RU2445199C2 (ru) * 2010-03-25 2012-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" Способ упрочнения блока сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113996783A (zh) * 2021-10-09 2022-02-01 中国航发北京航空材料研究院 裂纹愈合热障涂层粉体材料的制备方法
RU2821967C1 (ru) * 2023-09-15 2024-06-28 Андрей Олегович Дерягин Порошковая композиция для теплозащитного покрытия

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5914189A (en) Protected thermal barrier coating composite with multiple coatings
DE112008003501B4 (de) Mit Wärmesperr-Überzugssystemen überzogene Gegenstände einschließlich einer Seltenerdaluminatschicht zur verbesserten Beständigkeit gegenüber CMAS-Infiltration
US6261643B1 (en) Protected thermal barrier coating composite with multiple coatings
DE112008003502T5 (de) Verfahren zum Verbessern der Beständigkeit gegen CMAS-Infiltration
EP1953253B1 (en) Metal alloy compositions and articles comprising the same
EP1953252A1 (en) Alloy compositions of the MCrAlY type and articles comprising the same
EP1980634A1 (en) Metal alloy compositions and articles comprising the same
JPH05339082A (ja) 被覆されたセラミック製品
KR101681195B1 (ko) 자가치유능을 갖는 열차폐 코팅 시스템
Wu et al. Thermal cyclic response of yttria-stabilized zirconia/CoNiCrAlY thermal barrier coatings
US11473432B2 (en) Anti-CMAS coating with enhanced efficiency
DE69916232T2 (de) Zusammensetzung zur Herstellung einer Metall-Keramik-Beschichtung
RU2662520C1 (ru) Двухслойное жаростойкое покрытие на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов
Kawasaki et al. Effect of microstructure on thermal shock cracking of functionally graded thermal barrier coatings studied by burner heating test
JPH0978258A (ja) 遮熱コーティングを有する高温部材およびその製造方法
JP4226669B2 (ja) 耐熱部材
JPH055188A (ja) 被覆物品
JP2004346428A (ja) ケイ素基材とボンド層とを含む物品
Franceschini et al. Aluminum borophosphate glaze-coated aluminum alloy substrate: Coating properties and coating/substrate coupling
RU2260071C1 (ru) Способ нанесения теплозащитного эрозионно стойкого покрытия
JPS61174385A (ja) セラミツク被覆耐熱部材及びその製造方法
Šulák et al. High‐Temperature Low‐Cycle Fatigue Behaviour of MAR‐M247 Coated with Newly Developed Thermal and Environmental Barrier Coating
RU2599518C2 (ru) Устройство, выдающее стеклянные волокна, с уменьшенным содержанием драгоценных металлов
US2939785A (en) Refractory metal and silicon selfhealing high temperature alloy
JPS62211390A (ja) セラミツク被覆耐熱部材およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
TC4A Change in inventorship

Effective date: 20190603