RU2689588C2 - Method of producing thick-layer ceramic heat-insulating coating on metal substrate - Google Patents
Method of producing thick-layer ceramic heat-insulating coating on metal substrate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2689588C2 RU2689588C2 RU2017129663A RU2017129663A RU2689588C2 RU 2689588 C2 RU2689588 C2 RU 2689588C2 RU 2017129663 A RU2017129663 A RU 2017129663A RU 2017129663 A RU2017129663 A RU 2017129663A RU 2689588 C2 RU2689588 C2 RU 2689588C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- layer
- ceramic
- metal
- spirals
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims description 6
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 6
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 abstract 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 abstract 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 3
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000252095 Congridae Species 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000004210 cathodic protection Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910000907 nickel aluminide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical group [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- LXMSZDCAJNLERA-ZHYRCANASA-N spironolactone Chemical compound C([C@@H]1[C@]2(C)CC[C@@H]3[C@@]4(C)CCC(=O)C=C4C[C@H]([C@@H]13)SC(=O)C)C[C@@]21CCC(=O)O1 LXMSZDCAJNLERA-ZHYRCANASA-N 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012720 thermal barrier coating Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
- B22F7/02—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Furnace Charging Or Discharging (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для создания систем тепловой защиты, работающих в условиях воздействия потоков агрессивных газовых сред и значительных термических напряжений, например, детали и узлы ракетной техники.The invention relates to the field of powder metallurgy and can be used to create thermal protection systems operating under the influence of aggressive gas fluxes and significant thermal stresses, for example, parts and components of rocket technology.
В качестве материалов для теплозащитных покрытий могут быть использованы керамические композиционные материалы на основе оксидов [Михеев С.В., Строганов Г.Б., Ромашин А.Г. Керамические композиционные материалы в авиационной технике. - М., Альтекс, 2002 - С. 184.]. Эффективно работать эти материалы могут, когда они как покрытие надежно прикреплены к поверхности металлических конструкций. Расчетами и многочисленными экспериментами установлено, что, чем больше толщина слоя керамики, тем оно более эффективно обеспечивает защиту металлических конструкций и менее долговечно при теплосменах. Авторами отмечено, что толстослойные покрытия, это такие, толщина которых превышает 1 мм. [Бэкман В, Швенк В. Катодная защита от коррозии. - М, Металлургия, 1984 - С. 169.] Толстослойные керамические покрытия на металлах, как правило, отличаются низкой термической стойкостью ввиду того, что при нагреве на границе «основа - покрытие» возникают значительные по величине термические напряжения. [Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. - Л., "Химия", 1976]. Низкая пластичность керамики не способствует релаксации этих напряжений, а ведет к образованию трещин на границе керамики с основой. Недостаточная адгезия керамического покрытия с металлической основой, как правило, не препятствует распространению трещин на границе между ними и приводит к отслоение покрытия. Для увеличения толщины оксидных слоев с сохранением необходимых требований по термостойкости используют многослойные конструкции. Например, внешний слой -керамика, подслой на металлической основе, а между подслоем и керамикой градиентные слои с переменным содержанием компонентов подслоя и керамики [Kvernes I. Ceramic coatings as thermal barriers in diesel and gas turbine engine components // High. Tech. Ceram. Proc. World Congr.6-th Int. Meet. Mod. Ceram. Technol., Milan, 1986. - Amsterdame. a., 1987. - P. 2519-2536].As materials for thermal insulation coatings, ceramic composite materials based on oxides can be used [Mikheev SV, Stroganov GB, Romashin AG Ceramic composite materials in aviation technology. - M., Altex, 2002 - p. 184.]. These materials can work effectively when they, as a coating, are securely attached to the surface of metal structures. Calculations and numerous experiments have established that the greater the thickness of the ceramic layer, the more effectively it ensures the protection of metal structures and less durable during thermal cycles. The authors noted that thick-layer coatings are those whose thickness exceeds 1 mm. [Backman V., Schwenk V. Cathodic protection against corrosion. - M, Metallurgy, 1984 - p. 169.] Thick-layer ceramic coatings on metals, as a rule, are characterized by low thermal resistance due to the fact that when heated at the “base – coating” boundary, significant thermal stresses occur. [Appen A.A. Temperature resistant inorganic coatings. - L., "Chemistry", 1976]. The low plasticity of ceramics does not contribute to the relaxation of these stresses, but leads to the formation of cracks at the boundary of the ceramic with the base. Insufficient adhesion of the ceramic coating to the metal base, as a rule, does not prevent the propagation of cracks at the interface between them and leads to delamination of the coating. To increase the thickness of the oxide layers while maintaining the necessary requirements for heat resistance, multilayer structures are used. For example, the outer layer is a ceramic, a sublayer on a metal base, and between the underlayer and ceramics are gradient layers with varying contents of the components of the underlayer and ceramics [Kvernes I. Ceramic coatings "). Tech. Ceram. Proc. World Congr.6-th Int. Meet Mod. Ceram. Technol., Milan, 1986. - Amsterdame. a., 1987. - p. 2519-2536].
Известен способ [Патент RU 2287609], позволяющий формировать на подложке из специального сплава защитное термобарьерное покрытие, имеющее промежуточный связующий подслой из химически устойчивого интерметаллического соединения, содержащего, по меньшей мере, один металл группы платины и алюминий. При этом связующий подслой представляет собой композицию регулируемого состава и может иметь относительно малую толщину. Он изготавливается по существу при отсутствии реакции между ним и подложкой, которая могла бы вызывать диффузию элементов подложки в связующий подслой. Связующий подслой обладает также способностью формирования на своей поверхности тонкой устойчивой пленки оксида алюминия, обладающей свойствами адгезии (сцепления) и обеспечивающей закрепление наружного слоя из керамики.The known method [Patent RU 2287609], which allows forming on the substrate of a special alloy a protective thermal barrier coating having an intermediate bonding underlayer of a chemically stable intermetallic compound containing at least one platinum group metal and aluminum. While the binder sublayer is a composition of a controlled composition and may have a relatively small thickness. It is made essentially in the absence of a reaction between it and the substrate, which could cause the diffusion of the substrate elements in the bonding sublayer. The binder sublayer also has the ability to form on its surface a thin stable film of aluminum oxide, which has adhesion (adhesion) properties and ensures the fixing of the outer layer of ceramics.
Недостатком данных способов является недостаточная прочность сцепления керамики с подслоем и неравномерность образования подслоя вследствие газофазного осаждения на металлическую поверхность деталей. Это делает практически невозможным получение толстослойных термостойких оксидных покрытий на металлических подложках.The disadvantage of these methods is the insufficient adhesion strength of ceramics with the underlayer and the unevenness of the formation of the underlayer due to gas-phase deposition on the metal surface of the parts. This makes it almost impossible to obtain thick-layer heat-resistant oxide coatings on metal substrates.
Известен способ изготовления детали газотурбинного двигателя [Патент RU 2260071], включающий плазменное напыление на деталь металлического подслоя из сплава на никелевой основе, легированного кобальтом, хромом, алюминием, иттрием, толщиной 100-250 мкм и последующее нанесение трехслойного керамического покрытия из порошка на основе ZrO2, стабилизированного Y2O3, при этом первый слой наносили при дозировке порошка ZrO2, позволяющей полностью его проплавить, второй слой наносили при дозировке ZrO2, позволяющей получить пористость 5-16%, после чего поверхность обрабатывали виброшлифованием. В результате этого формировался третий слой путем термоупрочнения поверхности второго слоя. Термоупрочнение проводили плазменным электронно-лучевым или лазерным методом. Создание трехслойного керамического покрытия, имеющего первый и третий слои с плотной беспористой структурой, а второй слой с пористостью 5-16%, позволяет повысить стойкость покрытия и обеспечивает способность его работы в агрессивных средах при повышенных температурах (более 1000°С).A known method of manufacturing parts of a gas turbine engine [Patent RU 2260071], including plasma spraying of a metal sublayer from a nickel base alloy doped with cobalt, chromium, aluminum, yttrium, with a thickness of 100-250 microns and subsequent application of a three-layer ceramic coating of ZrO-based powder 2 , stabilized with Y 2 O 3 , while the first layer was applied at the dosage of ZrO 2 powder, allowing it to be completely melted, the second layer was applied at the dosage of ZrO 2 , allowing to obtain a porosity of 5-16%, after which The surface was treated with vibration grinding. As a result, a third layer was formed by thermal strengthening the surface of the second layer. Thermal hardening was performed by a plasma electron beam or laser method. The creation of a three-layer ceramic coating having the first and third layers with a dense non-porous structure, and the second layer with a porosity of 5-16%, allows to increase the resistance of the coating and provides the ability of its work in aggressive media at elevated temperatures (more than 1000 ° C).
Существенным недостатком предлагаемого способа является недостаточная термическая стойкость покрытий, толщиной более 1-5 мм и низкие теплозащитные свойства покрытия. К тому сложная технология обработки покрытий: оплавление поверхности керамического слоя лазерным методом, виброшлифование, термоупрочнение возникает неравномерность покрытия по его толщине и способствует образованию микротрещин на поверхности керамического слоя.A significant drawback of the proposed method is the insufficient thermal resistance of coatings with a thickness of more than 1-5 mm and low heat-shielding properties of the coating. In addition, the complex technology of coating treatment: flashing the surface of the ceramic layer by the laser method, vibration grinding, thermal strengthening results in uneven coating over its thickness and contributes to the formation of microcracks on the surface of the ceramic layer.
Известен способ [RU 2260071], включающий плазменное напыление на поверхность изделия металлического подслоя из сплава на никелевой основе и последующее нанесение керамического покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, путем послойного плазменного напыления. Послойное напыление керамического покрытия осуществляют таким образом, что последующий слой напыляют из порошков с фракцией, меньшей, чем в предыдущем слое, и формируют керамическое покрытие с пористостью, уменьшающейся по поперечному сечению к верхнему слою, который формируют с пористостью<1%. Недостаток данного способа заключается в том, что полученный слой обладает низким значением пористости, а значит и недостаточными теплозащитными свойствами и невозможностью получения термостойких покрытий толщиной более 2-5 мм.The known method [RU 2260071], which includes plasma spraying on the surface of the product of a metal underlayer from an alloy on a nickel base and the subsequent application of a ceramic coating of yttria-stabilized zirconium oxide, by layer-by-layer plasma spraying. Layer coating of the ceramic coating is carried out in such a way that the subsequent layer is sprayed from powders with a fraction less than in the previous layer, and a ceramic coating is formed with a porosity decreasing in cross section to the upper layer, which is formed with a porosity of <1%. The disadvantage of this method is that the resulting layer has a low value of porosity, and therefore insufficient thermal insulation properties and the inability to obtain heat-resistant coatings with a thickness of more than 2-5 mm.
Известен способ нанесение керамического слоя на поверхность металлической детали, который для увеличения стойкости покрытий в условиях термических воздействий предполагает введением между покрытием и подложкой промежуточного слоя, низкомодульного податливого деформационного компенсатора, примером которого служит прокладка BRUNSBOND [Tolokan R.P., Nablo J.C., Brady J.B. Крепление керамического покрытия к металической подложке с помощью низкомодульной прокладки BRUNSBOND// Энергетические машины 1982, т. 104, №3, с. 44-52]. Такую прокладку, выполненную из низкомодульного спеченного металловолокнита, припаивают к поверхности металлического изделия, и она работает как упругий поглотитель напряжений, возникающих при термоциклировании.There is a method of applying a ceramic layer on the surface of a metal part, which, to increase the resistance of coatings under thermal effects, involves the introduction of an intermediate layer between the coating and the substrate, a low-modulus malleable deformation compensator, an example of which is the BRUNSBOND [Tolokan R.P., Nablo J.C., Brady J..B. Fastening a ceramic coating to a metal substrate using a low-modular gasket BRUNSBOND // Energy Machines 1982, V. 104, No.3, p. 44-52]. Such a gasket, made of low-modulus sintered metal fiber, is soldered to the surface of the metal product, and it works as an elastic absorber of stresses arising during thermal cycling.
Недостатком является недостаточная адгезионная прочность керамического покрытия с металлической основой и достаточно сложная технология соединения низкомодульной прокладки к металлической подложке и к керамическому слою, что делает малоэффективным использование данного способа для создания теплозащитных слоев на деталях сложной формы.The disadvantage is the lack of adhesion strength of the ceramic coating with a metal base and the rather complicated technology of connecting the low-modulus gasket to the metal substrate and to the ceramic layer, which makes it ineffective to use this method to create heat-shielding layers on parts of complex shape.
Наиболее близким по технической сущности является способ нанесения слоя керамики на металлическую подложку, включающий нанесение армирующего подслоя, закрепление его на поверхности детали, нанесение на поверхность детали слоя керамики и последующий обжиг [патент RU 2299126]. Согласно данному способу на поверхность детали предварительно прикрепляют сетку тканого типа из материала близкого по химическому составу к химическому составу детали, таким образом, что сетку припаивают только в местах касания ее с поверхностью металла (по нижнему гребню), при этом между верхним гребнем и поверхностью детали сохраняют свободное пространство, в это пространство между каждым верхним гребнем и поверхностью детали пропускают проволоку того же материала и диаметра, из которого изготовлена сетка, скруткой фиксируют эту проволоку в направлении, перпендикулярном поверхности детали, проводят обрезку скрученной проволоки на высоту, не превышающую толщину наносимого уплотнительного покрытия, на подготовленную таким образом поверхность детали наносят слой оксидной керамики в виде шликера. Недостатком предлагаемого способа является значительная трудоемкость процесса подготовки армированной поверхности металлической детали и недостаточная адгезия толстого слоя керамики, приводящая к образованию трещин по границе керамика-металл при термоциклировании и преждевременному разрушению теплозащитного покрытия.The closest in technical essence is a method of applying a layer of ceramics on a metal substrate, including applying a reinforcing sublayer, fixing it on the surface of a part, applying a layer of ceramics on the surface of a part and then burning it [patent RU 2299126]. According to this method, a mesh of a woven type of material similar in chemical composition to the part’s chemical composition is pre-attached to the surface of the part, so that the grid is soldered only at the points of contact with the metal surface (along the lower ridge), while between the upper ridge and the surface of the part they retain free space, wire between the top ridge and the surface of the part passes wire of the same material and diameter of which the mesh is made, this product is fixed by twisting In the direction perpendicular to the surface of the part, cutting the twisted wire to a height not exceeding the thickness of the applied sealing coating is carried out to the fiber, and a layer of oxide ceramics in the form of a slip is applied to the surface of the part prepared in this way. The disadvantage of the proposed method is the considerable complexity of the process of preparing the reinforced surface of a metal part and the insufficient adhesion of a thick ceramic layer, leading to the formation of cracks on the ceramic-metal interface during thermal cycling and premature destruction of the heat-shielding coating.
Таким образом, задачей предполагаемого изобретения является снижение трудоемкости процесса армирования металлической подложки и повышение адгезии керамического слоя большой толщины с металлической основой.Thus, the objective of the proposed invention is to reduce the complexity of the process of reinforcing a metal substrate and increase the adhesion of a thick ceramic layer with a metal base.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении термической стойкости и долговечности керамических теплозащитных покрытий толщиной более 3 мм на металлических подложках.The technical result achieved with the implementation of the invention is to improve the thermal stability and durability of ceramic heat-protective coatings with a thickness of more than 3 mm on metal substrates.
Указанная задача решается тем, что в способе получения керамических теплозащитных покрытий на металлической подложке, включающий армирование поверхности подложки путем крепления к ней проволочных армирующих элементов, нанесения на армированную поверхность подложки слоя керамики и последующими сушкой и обжигом в вакууме, крепление проволочных армирующих элементов на поверхность подложки осуществляют пайкой высокотемпературным припоем спиралей из нихромовой проволоки, после пайки верхние гребни спиралей разрезают и правят образующиеся «усы» так, чтобы они были ориентированы нормально к поверхности подложки, наносят на подготовленную поверхность подслой шликера из смеси порошков Ni и Al с содержанием последнего 10-15 масс %, и слой композита из пасты ZrO2 - 7%Y2O3 - керамическое волокно с добавкой парафина 8-12 масс. %, обжиг в вакууме осуществляют при температуре 1200°С, при этом d - диаметр витков спиралей определяют зависимостью h/2<d<h/1,2, где h - толщина покрытия.This problem is solved by the fact that in the method of producing ceramic heat-shielding coatings on a metal substrate, including reinforcing the surface of the substrate by attaching wire reinforcing elements to it, applying a layer of ceramic on the reinforced surface of the substrate and subsequent drying and baking in vacuum, attaching wire reinforcing elements to the surface of the substrate they are soldered by high-temperature solder of nichrome wire spirals; after soldering, the upper ridges of the spirals are cut and ruled to form Party or "whiskers" such that they were oriented normal to the substrate surface is applied to the prepared surface sublayer slurry of a mixture of Ni and Al powders with a content of 10-15 wt%, and the layer of composite pastes ZrO 2 - 7% Y 2 O 3 - ceramic fiber with the addition of paraffin 8-12 mass. %, calcination in vacuum is carried out at a temperature of 1200 ° C, while d is the diameter of the turns of the spirals determined by the dependence h / 2 <d <h / 1.2, where h is the coating thickness.
Преимуществом такого способа армирования поверхности подложки в отличие от скруток (прототипа) является, во-первых, жесткое крепление армирующих элементов к поверхности, что не нарушает направленности этих элементов (нормально к поверхности) в процессе нанесения основного слоя покрытия из густого шликера, во-вторых, снижается трудоемкость процесса армирования по сравнению с прототипом.The advantage of this method of reinforcing the surface of the substrate, in contrast to the twists (prototype), is, firstly, the rigid attachment of the reinforcing elements to the surface, which does not violate the directionality of these elements (normally to the surface) in the process of applying the base layer of thick slurry, secondly , reduced complexity of the reinforcement process compared to the prototype.
Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой изображена схема армирования поверхности металлической подложки: где 1 - подложка, 2 - армирующие элементы, 3 - места пайки. Диаметр витков спиралей (d) зависит от толщины покрытия (h) и должен составлять величину h/2<d<h/1,2. При величине d>h/1,25 концы «усов» будут выходить на поверхность керамического слоя, увеличивая его дефектность, при d<h/2 снижается эффективность. Шаг витков спиралей (s) должен составлять величину от 2 до 4 мм. При s<2 мм происходит существеннее увеличение дефектности керамического слоя, и затруднено его нанесение, а при s>4 мм резко снижается эффективность армирования поверхности металлической подложки.The invention is illustrated by figure 1, which shows a diagram of the reinforcement of the surface of a metal substrate: where 1 - the substrate, 2 - reinforcing elements, 3 - soldering places. The diameter of the coils of the spirals (d) depends on the thickness of the coating (h) and should be h / 2 <d <h / 1.2. When d> h / 1.25, the ends of the “whiskers” will come to the surface of the ceramic layer, increasing its defectiveness, and when d <h / 2, the efficiency decreases. The pitch of the spirals (s) should be between 2 and 4 mm. At s <2 mm, there is a significant increase in the defectiveness of the ceramic layer, and its application is difficult, and at s> 4 mm, the efficiency of reinforcement of the surface of the metal substrate decreases sharply.
Использование в качестве металлического подслоя механической смеси порошков никеля и алюминия улучшает адгезионные свойства покрытия, так как в процессе последующего обжига покрытия на подложке при температуре 1200°С за счет протекания экзотермической реакции образования алюминида никеля происходит локальное повышение температуры в, зоне соединения металлической подложки, керамического слоя и армирующих элементов, приводящее к упрочнению этой зоны. При содержании алюминия менее 10 масс. % упрочнение недостаточно ввиду малого содержания алюминия, а содержании его более 15 масс % существенно снижается пластичность подслоя, ведущее к образованию в зоне взаимодействия большого количества микротрещин.The use of a mechanical mixture of nickel and aluminum powders as a metal sublayer improves the adhesive properties of the coating, since in the process of subsequent calcination of the coating on the substrate at a temperature of 1200 ° C due to the exothermic reaction of the formation of nickel aluminide, a local temperature increase occurs in the junction zone of the metallic substrate, ceramic layer and reinforcing elements, leading to hardening of this zone. When the aluminum content is less than 10 mass. % hardening is not enough due to the low aluminum content, and the content of its more than 15 mass% significantly reduces the plasticity of the underlayer, leading to the formation of a large number of microcracks in the interaction zone.
В качестве внешнего керамического слоя использовали композит состава (масс. %):As the outer ceramic layer used composite composition (wt.%):
ZrO2 - 7% Y2O3 - 90%;ZrO 2 - 7% Y 2 O 3 - 90%;
керамическое волокно - 10%.ceramic fiber - 10%.
Керамический слой наносили на армированную поверхность по шликерной технологии. Для чего готовили густой шликер (пасту) указанного состава с добавкой парафина в количестве 8-12 масс. %. При более низком содержании парафина в покрытии образуется высокая плотность дефектов (пор, несплошностей, трещин и др.), а при содержании парафина более 15 масс %, происходит интенсивное испарение его при обжиге, приводящее к деформированию и разрушению покрытия.The ceramic layer was applied to the reinforced surface using slip technology. For what they prepared a thick slip (paste) of the specified composition with the addition of paraffin in the amount of 8-12 mass. % At a lower content of paraffin in the coating, a high density of defects (pores, discontinuities, cracks, etc.) is formed, and when the content of paraffin is more than 15 mass%, it intensively evaporates during firing, leading to deformation and destruction of the coating.
Осуществление способа может быть проиллюстрировано следующим примером.The implementation of the method can be illustrated by the following example.
Для исследований используют образцы в виде пластинок из нержавеющей стали 12Х18Н10Т размерами 30×25×3 мм. На поверхность образцов наносят слой порошкового высокотемпературного припоя ВПр-11-40Н, который закрепляют тонкой пленкой лака. Далее к этой поверхности крепят спирали из нихромовой проволоки с шагом 2-4 мм. Диаметр спиралей - 2,5-4 мм. Пайка спиралей к металлической поверхности ведут в вакууме 10-4 мм рт.ст. до температуры 1100°С. После пайки разрезают верхний гребень спирали и проводят правку образовавшихся «усов» таким образом, чтобы они были ориентированы нормально к поверхности подложки.For studies using samples in the form of plates of stainless steel 12X18H10T with dimensions of 30 × 25 × 3 mm. On the surface of the samples put a layer of high-temperature powder solder VPR-11-40N, which is fixed with a thin film of lacquer. Further, spirals of nichrome wire with a pitch of 2-4 mm are attached to this surface. The diameter of the spirals - 2.5-4 mm. Soldering spirals to the metal surface is conducted in a vacuum of 10 -4 mm Hg. to a temperature of 1100 ° C. After soldering, the upper ridge of the helix is cut and the “whiskers” formed are straightened so that they are oriented normally to the surface of the substrate.
На подготовленную поверхность образцов с «усами» наносят подслой в виде шликера из порошков никеля и алюминия с добавкой связующего.An underlayer in the form of a slip from nickel and aluminum powders with the addition of a binder is applied to the prepared surface of the samples with a "mustache".
Керамический композит готовят в виде пасты:Ceramic composite is prepared in the form of paste:
порошок ZrO2 - 7% Y2O3 крупностью 1-5 мкм;ZrO 2 powder - 7% Y 2 O 3 with a particle size of 1-5 microns;
керамическое волокно - 10 масс. %;ceramic fiber - 10 mass. %;
парафин - 10 масс. %;paraffin - 10 mass. %;
Полученную керамическую массу нагревают, наносят на поверхность образцов с «усами» и подслоем. Покрытие толщиной 5 мм сушат в течение суток при температуре 25°С, обжигают в вакууме при 1200°С.The resulting ceramic mass is heated, applied to the surface of the samples with a "mustache" and a sublayer. The coating thickness of 5 mm is dried during the day at a temperature of 25 ° C, calcined in vacuum at 1200 ° C.
Проведены испытания покрытий в условиях термоциклирования: нагрев - струей газа 300→2200К 5 сек, охлаждение - обдув воздухом 2200→300К в течении 15 сек. Материал покрытия считается, прошел испытания, если он выдержал более 10 термоциклов без видимых нарушений. Результаты исследований приведены на фигуре 2. Хорошие прочностные характеристики показали образцы, полученные с шагом спиралей 2-4 мм и диаметром - 2,5-4 мм.The coatings were tested under the conditions of thermal cycling: by heating with a gas jet 300 →
Также покрытия подвергались испытаниям на прочность сцепления на разрывной машине. Результаты выявили следующее: отрыв происходит по центру покрытия, это говорит о том, что адгезия материала выше когезии.Coatings were also tested for tensile strength on a tensile machine. The results revealed the following: the separation occurs at the center of the coating, which indicates that the adhesion of the material is higher than the cohesion.
Таким образом, как видно из приведенного примера, существует возможность получения толстослойного керамического теплозащитного покрытия на металлической подложке, обладающей повышенной термостойкостью и хорошими прочностными характеристиками.Thus, as can be seen from the above example, there is a thick-layer ceramic heat-shielding coating on a metal substrate with enhanced heat resistance and good strength characteristics.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129663A RU2689588C2 (en) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | Method of producing thick-layer ceramic heat-insulating coating on metal substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129663A RU2689588C2 (en) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | Method of producing thick-layer ceramic heat-insulating coating on metal substrate |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017129663A RU2017129663A (en) | 2019-02-21 |
| RU2017129663A3 RU2017129663A3 (en) | 2019-03-26 |
| RU2689588C2 true RU2689588C2 (en) | 2019-05-28 |
Family
ID=65479186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017129663A RU2689588C2 (en) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | Method of producing thick-layer ceramic heat-insulating coating on metal substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2689588C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2260071C1 (en) * | 2004-09-30 | 2005-09-10 | Балдаев Лев Христофорович | Method of application of heat-insulating erosion-resistant coat |
| RU2299126C1 (en) * | 2005-08-24 | 2007-05-20 | Открытое акционерное общество "Пермский моторный завод" | Method of application of sealing coat |
| RU2320772C2 (en) * | 2002-04-22 | 2008-03-27 | Снекма Моторс | Method for forming of ceramic coat, target for performing the same, and method for manufacturing the target |
| RU2423550C1 (en) * | 2009-11-30 | 2011-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" | Heat protecting cover for turbine blades and procedure for its fabrication |
-
2017
- 2017-08-21 RU RU2017129663A patent/RU2689588C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2320772C2 (en) * | 2002-04-22 | 2008-03-27 | Снекма Моторс | Method for forming of ceramic coat, target for performing the same, and method for manufacturing the target |
| RU2260071C1 (en) * | 2004-09-30 | 2005-09-10 | Балдаев Лев Христофорович | Method of application of heat-insulating erosion-resistant coat |
| RU2299126C1 (en) * | 2005-08-24 | 2007-05-20 | Открытое акционерное общество "Пермский моторный завод" | Method of application of sealing coat |
| RU2423550C1 (en) * | 2009-11-30 | 2011-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" | Heat protecting cover for turbine blades and procedure for its fabrication |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2017129663A (en) | 2019-02-21 |
| RU2017129663A3 (en) | 2019-03-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TW422889B (en) | Process for depositing a bond coat for a thermal barrier coating system | |
| US6159553A (en) | Thermal barrier coating for silicon nitride | |
| CA2162028C (en) | Method for protecting products made of refractory material against oxidation, and resulting protected products | |
| JP4658273B2 (en) | Strain-tolerant ceramic coating | |
| US3699623A (en) | Method for fabricating corrosion resistant composites | |
| CA2772227C (en) | Component for a turbomachine and method for manufacturing such a component | |
| US20090324401A1 (en) | Article having a protective coating and methods | |
| US11466370B2 (en) | Turbine engine part coated in a thermal barrier, and a method of obtaining it | |
| JPH02270904A (en) | Metal or metal alloy basic structure with hardened surface and preparation thereof | |
| US3061482A (en) | Ceramic coated metal bodies | |
| US10414694B2 (en) | Toughened bond layer and method of production | |
| RU2689588C2 (en) | Method of producing thick-layer ceramic heat-insulating coating on metal substrate | |
| JP4388466B2 (en) | Gas turbine, thermal barrier coating material, manufacturing method thereof, and turbine member | |
| CN111670294A (en) | Controlled cracking component coated with a CMAS-resistant composition and corresponding treatment method | |
| JP2012062511A (en) | High temperature resistant member and gas turbine | |
| JPH03150331A (en) | Erosion-resistant alloy | |
| RU2766404C1 (en) | Multi-layer heat-resistant coating on parts of heat resistant alloys | |
| EP0432699B1 (en) | Metal article protected against burning titanium and method of making the same | |
| Zakirov et al. | Production of thick-layered heat-resistant ZrO2-Y2O3 coatings for the protection of structural alloys | |
| JPH08501266A (en) | Ceramic composites used especially at temperatures above 1400 ° C | |
| JP5693631B2 (en) | High temperature resistant member and gas turbine | |
| Xue et al. | Bonding characteristics of the Al 2 O 3-metal composite coating fabricated onto carbon steel by combustion synthesis | |
| EP2309024A2 (en) | Process of forming a coating system, coating system formed thereby, and components coated therewith | |
| JPH09176821A (en) | Radiation shield coating member and its production | |
| CN110616394A (en) | Preparation method for improving thermal shock resistance of double-ceramic-layer TBCs |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190822 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210701 |