RU2693283C1 - Способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий - Google Patents

Способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий Download PDF

Info

Publication number
RU2693283C1
RU2693283C1 RU2018121793A RU2018121793A RU2693283C1 RU 2693283 C1 RU2693283 C1 RU 2693283C1 RU 2018121793 A RU2018121793 A RU 2018121793A RU 2018121793 A RU2018121793 A RU 2018121793A RU 2693283 C1 RU2693283 C1 RU 2693283C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nichrome
thickness
cermet
particle size
microns
Prior art date
Application number
RU2018121793A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Иванович Портных
Евгений Владимирович Паничев
Original Assignee
Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (АО "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева")
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 Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (АО "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") filed Critical Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (АО "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева")
Priority to RU2018121793A priority Critical patent/RU2693283C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2693283C1 publication Critical patent/RU2693283C1/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
    • 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
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • 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
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134Plasma spraying

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению эрозионно-стойких теплозащитных покрытий методом плазменного напыления. Может применяться в ракетно-космической технике при изготовлении теплонагруженных элементов ЖРД, например камер сгорания. Осуществляют плазменное нанесение подслоя нихрома с использованием порошка с размером частиц 40-100 мкм и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 80 вес.% диоксида циркония, стабилизированного 4÷6 вес.% оксида кальция, и 20 вес. % нихромового порошка. Толщина нихромового подслоя находится в пределах 1,5 Dmin≤SH≤Dmax, где SH - толщина нихромового подслоя, Dmin - минимальный гранулометрический состав частиц нихрома, Dmax - максимальный гранулометрический состав частиц нихрома, а толщина керметного слоя составляет Sк=(1,0…1,1)Sн, где Sк - толщина керметного слоя, Sн - фактическая толщина полученного нихромового слоя. Обеспечивается повышение адгезионной прочности и термостойкости. 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано для тепловой и эрозионной защиты огневых стенок камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (КС ЖРД) путем нанесения методом плазменного напыления эрозионно стойких теплозащитных покрытий (ЭТЗП) с требуемыми значениями характеристик.
Увеличение термостойкости и адгезионной прочности, снижение уровня остаточных напряжений плазменных теплозащитных покрытий являются важнейшими проблемами, связанными с повышением работоспособности указанных покрытий.
Известны различные способы повышения адгезии и термостойкости ЭТЗП плазменного напыления. В качестве исходного способа получения покрытия рассмотрено теплозащитное покрытие с металлическим подслоем толщиной 80÷120 мкм из жаростойкого сплава, например нихрома (NiCr) (ОСТ 92-1406-68 «Покрытия эрозионно стойкие неметаллические»). Данный способ позволяет получить для плазменных теплозащитных покрытий на основе диоксида циркония (ZrO2) отрывную прочность σв на уровне 40-50 кгс/см2 и термостойкость на уровне от 6 до 8 циклов.
Известен также способ получения ЭТЗП с повышенными значениями отрывной прочности и термостойкости (патент РФ №2283363 «Способ получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий», ОАО «Композит»), принятый за прототип, в котором повышение служебных характеристик плазменных покрытий достигается за счет создания зоны фазового перехода одновременно (в одном технологическом цикле) с формированием основного теплозащитного покрытия.
Данный способ получения покрытий обеспечивает формирование зоны фазового перехода от металлического подслоя к исходному составу ЭТЗП за счет взаимосвязи схемы подачи механической керметной смеси (под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения) с гранулометрическим составом и физико-механическими характеристиками составляющих керметной композиции, что достигается тем, что в известном способе получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий, заключающемся в нанесении методом плазменного напыления нихромового подслоя и последующем напылении керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50÷80% вес. диоксида циркония и 50÷80% вес. нихрома, керметную композицию готовят из порошков диоксида циркония и нихрома с размером частиц 10÷40 мкм и 40÷400 мкм соответственно и подачу смеси в плазменную струю осуществляют под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, при этом, в качестве стабилизирующей добавки для порошка диоксида циркония, используют оксид кальция, содержание которого составляет 4÷6% вес.
Описанный способ позволяет повысить адгезионную прочность ЭТЗП до величины σв на уровне 100-130 кгс/см2 и термостойкость до 15-20 циклов. Недостатком данного способа является то, что приведенные в нем значения наносимых толщин покрытия не обеспечивают работоспособность в условиях воздействия высокотемпературных газовых потоков КС ЖРД образцов ракетной техники за счет снижения теплоотвода (теплопередачи) от поверхностного слоя покрытия проходящим за защищаемой огневой стенкой компонентом топлива. Недостатком способа также являются значительные напряжения в получаемом покрытии, растущие с увеличением толщины в предлагаемом диапазоне (120-150 мкм) вносимыми напыляемыми частицами.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение является повышение адгезионной прочности и термостойкости теплозащитных покрытий за счет снижения вносимых частицами расплавленного материала напряжений путем оптимизации толщин напыляемых слоев.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий, включающем плазменное нанесение подслоя нихрома, с использованием порошка с размером частиц нихрома от 40 мкм до 100 мкм, и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 80 вес. % диоксида циркония, стабилизированного 4÷6% весового оксида кальция, и 20 вес. % нихромового порошка, согласно изобретению для снижения уровня остаточных напряжений в получаемом покрытии и интенсификации теплоотвода от поверхности слоя покрытия проходящим за защищаемой стенкой компонентом топлива, толщина нихромового подслоя находится в пределах
1,5 Dmin≤SH≤Dmax, где SH - толщина нихромового подслоя,
Dmin - минимальный гранулометрический состав частиц нихрома, мкм;
Dmax - максимальный гранулометрический состав частиц нихрома, мкм, а толщина керметного слоя составляет
Sк=(1,0…1,1)Sн, где Sк - толщина керметного слоя, мкм;
Sн - фактическая толщина полученного нихромового слоя, мкм.
Данный способ получения покрытий, так же как и исходный, обеспечивает формирование зоны фазового перехода от металлического подслоя к исходному составу ЭТЗП, при этом, за счет подобранного оптимального сочетания толщин, снижается уровень остаточных напряжений в получаемом покрытии и их негативное воздействие на адгезионную прочность (анкерное зацепление) частиц подслоя в подложке, а так же позволяет интенсифицировать теплоотвод от поверхностного слоя покрытия проходящим за защищаемой стенкой компонентом топлива.
В результате проведенных экспериментов были выявлены оптимальные пределы толщин нихромового подслоя и толщин керметного слоя 70÷90 мкм и 90÷110 мкм соответственно. При этом в качестве стабилизирующей добавки для порошка диоксида циркония использовали оксид кальция, содержание которого составляет 4÷6% вес. Примеры.
На внутреннюю часть камеры из медного сплава марки Брх08, представляющую собой тело вращения, в местах подверженных значительным тепловым и эрозионным нагрузкам, наносят методом плазменного напыления покрытие, состоящее из нихромового подслоя и кермета. Керметную смесь используют с составом 80% вес. ZrO2+20% вес. NiCr.
Для приготовления смеси используют порошок диоксида циркония грануляцией 10÷40 мкм, стабилизированного 4÷6% весового оксида кальция, и порошок нихрома с размером частиц 40÷100 мкм. После напыления нихромового подслоя выполняют определение его толщины двумя методами. При первом методе толщину нихромового подслоя определяют мерительным инструментом как разницу фактического внутреннего диаметра до напыления и после напыления подслоя. При втором методе замер выполняют с помощью вихретонового толщиномера «Константа». При этом разница в замере толщины сопоставляется и не должна составлять более 5 мкм. По фактически полученной толщине нихромового подслоя определяют допустимый диапазон толщин основного слоя - кермета.
После плазменного нанесения керметного слоя, так же двумя способами, с помощью мерительных инструментов и вихретонового толщиномера, контролируют толщину керамического слоя. При отклонении толщины в большую сторону выполняют полировку керметного покрытия абразивными инструментами, при отклонении в меньшую сторону выполняют удаление и повторное нанесение покрытия.
Для получения сравнительных данных параллельно проводилось нанесение керметных теплозащитных покрытий на образцы из того же медного сплава с параметрами известного способа.
Определение адгезионной прочности и термостойкости осуществляли в соответствии с требованиями методик, изложенных в ОСТ 92-1406-68 «Покрытия эрозионно стойкие неметаллические».
Полученные физико-механические и теплофизические свойства покрытий сведены в таблицу 1.
Figure 00000001
Как видно из таблицы, использование предложенного способа получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий по сравнению с известными решениями позволяет обеспечить повышение адгезионной прочности и термостойкости ЭТЗП за счет снижения уровня остаточных напряжений в покрытии, вносимых напыляемыми частицами, и, как следствие, уменьшить влияние данных напряжений на адгезионный механизм образования связи с подложкой (анкерное заклинивание).

Claims (9)

  1. Способ получения эрозионно-стойкого теплозащитного покрытия, включающий плазменное нанесение подслоя нихрома с использованием порошков диоксида циркония и нихрома с размером частиц 10÷40 и 40÷100 мкм соответственно и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 80% вес. диоксида циркония, стабилизированного 4÷6 вес.% оксида кальция, и 20% вес. нихромового порошка, отличающийся тем, что обеспечивают снижение уровня остаточных напряжений в получаемом покрытии и интенсификацию теплоотвода от поверхности слоя покрытия проходящим за защищаемой стенкой компонентом топлива, при этом устанавливают толщину нихромового подслоя в пределах
  2. 1,5Dmin≤Sн≤Dmax, где
  3. Sн - толщина нихромового подслоя, мкм;
  4. Dmin - минимальный гранулометрический состав частиц нихрома, мкм;
  5. Dmax - максимальный гранулометрический состав частиц нихрома, мкм,
  6. и толщину керметного слоя, составляющую
  7. Sк=(1,0…1,1)×Sн, где
  8. Sк - толщина керметного слоя, мкм;
  9. Sн - фактическая толщина полученного нихромового подслоя, мкм.
RU2018121793A 2018-06-13 2018-06-13 Способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий RU2693283C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018121793A RU2693283C1 (ru) 2018-06-13 2018-06-13 Способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018121793A RU2693283C1 (ru) 2018-06-13 2018-06-13 Способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2693283C1 true RU2693283C1 (ru) 2019-07-02

Family

ID=67252157

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018121793A RU2693283C1 (ru) 2018-06-13 2018-06-13 Способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2693283C1 (ru)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0913496B1 (en) * 1997-03-24 2004-09-29 Tocalo Co. Ltd. High-temperature spray coated member and method of production thereof
RU2283363C2 (ru) * 2003-07-15 2006-09-10 ОАО "Композит" Способ получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий
WO2008049081A1 (en) * 2006-10-18 2008-04-24 Inframat Corporation Casting molds coated for surface enhancement and methods of making them
US20080166548A1 (en) * 2003-03-24 2008-07-10 Tocalo Co., Ltd. Coating material for thermal barrier coating having excellent corrosion resistance and heat resistance and method of producing the same
RU2425906C1 (ru) * 2010-01-25 2011-08-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Эверест-124" Способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали
RU2534714C2 (ru) * 2013-03-15 2014-12-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий
RU2586376C2 (ru) * 2012-04-27 2016-06-10 Акционерное общество "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (АО "НПЦ газотурбостроения "Салют") Высокотемпературное теплозащитное покрытие
EP3118345A1 (en) * 2015-07-17 2017-01-18 General Electric Technology GmbH High temperature protective coating

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0913496B1 (en) * 1997-03-24 2004-09-29 Tocalo Co. Ltd. High-temperature spray coated member and method of production thereof
US20080166548A1 (en) * 2003-03-24 2008-07-10 Tocalo Co., Ltd. Coating material for thermal barrier coating having excellent corrosion resistance and heat resistance and method of producing the same
RU2283363C2 (ru) * 2003-07-15 2006-09-10 ОАО "Композит" Способ получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий
WO2008049081A1 (en) * 2006-10-18 2008-04-24 Inframat Corporation Casting molds coated for surface enhancement and methods of making them
RU2425906C1 (ru) * 2010-01-25 2011-08-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Эверест-124" Способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали
RU2586376C2 (ru) * 2012-04-27 2016-06-10 Акционерное общество "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (АО "НПЦ газотурбостроения "Салют") Высокотемпературное теплозащитное покрытие
RU2534714C2 (ru) * 2013-03-15 2014-12-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий
EP3118345A1 (en) * 2015-07-17 2017-01-18 General Electric Technology GmbH High temperature protective coating

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ulianitsky et al. Computer-controlled detonation spraying: from process fundamentals toward advanced applications
EP3107673B1 (en) Method of applying a thermal barrier coating
Ruckle Plasma-sprayed ceramic thermal barrier coatings for Turbine vane platforms
CN103924185A (zh) 用于具有改进的侵蚀和冲击性质的超低热导率热阻挡涂层的新结构
Harder et al. Plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) of ceramics for protective coatings
RU2499078C1 (ru) Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий
CN105648389A (zh) 喷镀膜、具有该喷镀膜的发动机以及喷镀膜的成膜方法
CN102392208B (zh) 一种镁合金表面喷涂铝涂层的方法
CN106591763B (zh) 爆炸喷涂制备ic装备铝合金零部件用高纯氧化钇涂层方法
CN103774082A (zh) 热障涂层的制备方法
Rakhadilov et al. The effect of detonation spraying on the phase composition and hardness of Al 2 O 3 coatings
WO2020044864A1 (ja) 溶射皮膜の形成方法
RU2693283C1 (ru) Способ получения эрозионно-стойких теплозащитных покрытий
US20120308836A1 (en) Composite article having silicate barrier layer and method therefor
US20240051875A1 (en) Erosion-resistant ceramic material, powder, slip and component
RU2283363C2 (ru) Способ получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий
CN110616397A (zh) 一种大气等离子喷涂制备Al/(Y2O3-ZrO2)复合涂层的方法
RU2534714C2 (ru) Способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий
Pavan et al. Review of ceramic coating on mild steel methods, applications and opportunities
JP6781891B2 (ja) 窒化アルミニウムの皮膜製造方法及びその方法により製造される窒化アルミニウム皮膜
Smurov et al. Computer controlled detonation spraying: a spraying process upgraded to advanced applications
Mrdak Characteristics of plasma spray coatings
EP3090137B1 (en) Fusible bond for gas turbine engine coating system
CN1833045A (zh) 有遮蔽的陶瓷热喷涂涂覆
CN117568737B (zh) 具有高抗热震和高磨耗性的涂层及其制备方法、发动机和飞行器

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20191218