RU2766404C1 - Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов - Google Patents

Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов Download PDF

Info

Publication number
RU2766404C1
RU2766404C1 RU2021123634A RU2021123634A RU2766404C1 RU 2766404 C1 RU2766404 C1 RU 2766404C1 RU 2021123634 A RU2021123634 A RU 2021123634A RU 2021123634 A RU2021123634 A RU 2021123634A RU 2766404 C1 RU2766404 C1 RU 2766404C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
coating
multilayer
sintering
ceramic layer
Prior art date
Application number
RU2021123634A
Other languages
English (en)
Inventor
Светлана Аркадьевна Оглезнева
Максим Николаевич Каченюк
Валентина Борисовна Кульметьева
Светлана Евгеньевна Порозова
Андрей Алексеевич Сметкин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
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 автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority to RU2021123634A priority Critical patent/RU2766404C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2766404C1 publication Critical patent/RU2766404C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/105Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00Manufacture 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
    • B22F7/02Manufacture 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
    • 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
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к многослойным композиционным покрытиям на основе металлических и керамических порошков, и может быть использовано для защиты от термических воздействий деталей из жаропрочных сплавов. Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов включает связующий слой из сплава MeCrAlY, где Me - Ni и/или Со, композиционные слои и керамический слой. Композиционные слои содержат сплав MeCrAlY, где Me - Ni и/или Со, и последовательно дополнительно содержат нанопорошок диоксида циркония, стабилизированного 8 мас. % оксида иттрия, в количестве 14-18 мас. % и 28-32 мас. %. Керамический слой состоит из диоксида циркония, стабилизированного 8 мас. % оксида иттрия, в виде нанопорошка. Упомянутые слои нанесены из порошковой шихты с утряской, с дальнейшим уплотнением и спеканием многослойного покрытия методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С. Обеспечивается получение многослойного покрытия без изменения фазового состава внешнего керамического слоя и проведение спекания многослойного покрытия в одну стадию за короткое время рабочего цикла и при относительно невысокой температуре. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно, к многослойным композиционным покрытиям на основе металлических и керамических порошков, и может быть использовано в машиностроении для защиты от термических воздействий деталей из жаропрочных сплавов.
От возможности повышения температуры работы деталей машин зависит повышение эффективности современного технологического оборудования. Детали, работающие в условиях экстремально высоких температур и воздействия содержащих абразивы и агрессивные химические агенты сред, обычно изготавливают из жаропрочных никельсодержащих сплавов, но их ресурс в настоящее время исчерпан, т.к. достигнутые в современных изделиях температуры приводят к быстрому разрушению поверхности за счет абразивного износа, оксидирования или плавления поверхности деталей. Керамика, на применение которой в качестве замены жаропрочных металлических сплавов рассчитывали многие исследователи, пока не может конкурировать с металлами из-за неудовлетворительных показателей пластичности, теплопроводности, трещиностойкости (Бендовский Е.Б. Керамические детали для двигателя внутреннего сгорания // Новые огнеупоры. 2013. №8. С.51-54). В этих условиях повышение эксплуатационных характеристик может быть достигнуто только созданием на поверхности изделий теплозащитных покрытий (ТЗП).
Современные ТЗП - это, в общем случае, двухслойные системы, которые состоят из внутреннего устойчивого к коррозии антиокислительного слоя (соединительного покрытия) и изолирующего керамического внешнего слоя. В качестве керамического внешнего слоя часто используют диоксид циркония, стабилизированный 7-8% (масс.) оксида иттрия. В многочисленных обзорах (Грешта В.П. Применение керамических покрытий для защиты деталей ГТД, работающих в условиях экстремально высоких температур // Вестник двигателестроения. 2015 №1. С.168-170; Смышляева Т.В., Порозова С.Е., Максимов Д.А. Перспективные материалы теплозащитных покрытий для деталей авиационных газотурбинных двигателей (Обзор) // Конструкции из композиционных материалов. 2020. №1 (157). С.26-36; Кашин Д.С., Стехов П.А. Современные теплозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого напыления (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. №2 (62). С.84-90) рассмотрены различные составы ТЗП и технологии их получения, используемые как в России, так и за рубежом. В настоящее время наиболее традиционными методами нанесения жаростойких покрытий являются электронно-лучевой и ионно-плазменный.
Известно комбинированное NiCrCoAlY/ZrO2 теплозащитное покрытие, полученное методом газопламенного напыления (Структура и физико-механические свойства жаростойких газопламенных покрытий NiCrCoAlY/ZrO2 для турбинных лопаток газотурбинных двигателей / Ю.П. Тарасенко, И.Н. Царева, О.Б. Бердник, Я.А. Фель // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. №3(27). С.164-169).
Недостатком формируемого покрытия, в частности, является значительное термическое воздействие высокоэнергетического плазменного потока, в результате которого происходит оплавление граней частиц керамического порошка, а фазовый состав керамики, образующей внешнее покрытие изменяется, что приводит к снижению трещиностойкости.
Известно многослойное покрытие (патент РФ №2242535, С23С 24/08, B22F 7/04, B22F 3/14), включающее слой меди толщиной 1,5-2,5 мм, содержащий 15-23 масс. % упрочняющих частиц, слой меди толщиной 100-200 мкм и слой из смеси порошков графита и оксида алюминия.
Недостатком известного покрытия является то, что покрытие не обладает высокой жаростойкостью, поскольку в качестве связующего используют медь. В то же время, получение покрытия не требует и применения нескольких типов высокоэнергетического оборудования.
Перспективной технологией консолидации порошковых материалов является технология искрового плазменного спекания (ИПС), основанная на пропускании через спекаемый материал мощных импульсов постоянного тока, приводящих к активации поверхности порошка и спеканию образца. К основным преимуществам технологии ИПС относятся короткое время рабочего цикла, относительно низкие температуры спекания, минимальные рост зерна и влияние на микроструктуру.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является многослойное теплозащитное покрытие (патент №2375499, C23F 17/00, С23С 14/16, С23С 4/08, С23С 4/10, опубл. 10.12.2009), включающее связующий слой, содержащий MeCrAlY (Me-Ni и/или Со), жаростойкий защитный слой, содержащий MeCrAlY (Me-Ni и/или Со) и керамический слой ZrO2-Y2O3. Данное покрытие принято за прототип.
Недостатком известного покрытия, принятого за прототип, является то, что для получения известного покрытия необходимо использования оборудования нескольких типов, что существенно удорожает процесс получения покрытия.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в получении многослойного теплозащитного покрытия с применением искрового плазменного спекания, позволяющего избежать изменения фазового состава внешнего керамического слоя и провести спекание многослойного покрытия в одну стадию за короткое время рабочего цикла и при относительно невысокой температуре.
Указанный технический результат достигается тем, что многослойное покрытие состоит из связующего слоя, содержащего сплав MeCrAlY (Me-Ni и/или Co); композиционных слоев сплава MeCrAlY (Me-Ni и/или Co), содержащих последовательно 14-18 и 28-32% (масс.) стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония, внешний теплозащитный слой состоит из стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония, слои наносят из порошковой шихты методом утряски, а дальнейшее уплотнение и спекание многослойного покрытия проводят методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С.
Содержание керамического порошка в композиционных слоях последовательно 14-18 и 28-32% (масс.) обеспечивает плавное снижение термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) от металлического связующего слоя до защитного керамического слоя, что необходимо для снижения риска отслоения покрытия в процессе эксплуатации.
Содержание керамического порошка менее или более 14-18 и 28-32% (масс.) не позволяет обеспечить необходимое плавное снижение ТКЛР.
Проведение уплотнения и спекания многослойного покрытия методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С позволяет получить многослойное спеченное покрытие, слои которого составляют единое целое. При более низкой температуре не удается достичь спекания керамического слоя. А проведение указанной операции при температуре выше 1070°С нецелесообразно.
Возможность проведения спекания не только связующего и композиционных слоев, но и керамического покрытия при такой относительно низкой температуре базируется на использовании нанопорошка диоксида циркония (Синтез нанокристаллического диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, для низкотемпературного спекания / В.Б. Кульметьева, С.Е. Порозова, Е.С. Гнедина // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. №2. С.3-9) и метода искрового плазменного спекания.
Заявляемое покрытие иллюстрируется материалом, представленным на фиг.1-3.
На фиг.1 показан общий вид спеченного многослойного покрытия на детали (микрошлиф, травление): 1 - связующий слой; 2 - композиционные слои; 3 - керамический внешний слой.
На фиг.2 - КР-спектр керамического внешнего слоя покрытия после искрового плазменного спекания.
На фиг.3 - диаграмма послойного распределения ТКЛР.
Обозначения: С - связующее; К - керамика; С+К - их смеси.
Многослойное покрытие состоит из связующего слоя 1, содержащего сплав MeCrAlY (Me-Ni и/или Со); композиционных слоев 2 сплава MeCrAlY (Me-Ni и/или Со), содержащих последовательно 14-18 и 28-32% (масс.) стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония. Керамический внешний слой 3 состоит из стабилизированного 8 масс. % оксида иттрия нанопорошка диоксида циркония, слои наносят из порошковой шихты методом утряски, а дальнейшее уплотнение и спекание многослойного покрытия проводят методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С.
Спекание проводили в печи Dr. Sinter SPS-1050 (SPS Syntex Inc., Япония) по следующему режиму: нагрев при давлении 15 МПа со скоростью 80-100 град./мин. до 1050°С, подъем давления до 30 МПА и выдержка в течение 5 мин. Спекание проводили в вакууме с остаточным давлением 10-50 Па.
В результате получено спеченное многослойное покрытие (фиг.1).
Фазовый состав исходного порошка и керамического покрытия определяли методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР-спектроскопии) на многофункциональном Фурье-спектрометре Senterra (Bruker, Германия) при длине волны излучающего лазера 532 нм. По данным КР-спектроскопии фазовый состав покрытия соответствует фазовому составу порошка (фиг.2). Внешний слой покрытия после спекания содержит диоксид циркония тетрагональной модификации. Сдвиг пика при 638 см-1 указывает, на одновременное присутствие кубической модификации. Пики моноклинной модификации не обнаружены (Nanocrystalline zirconia-yttria system-a Raman study / A. Ghosh, A.K. Suri, M. Pandey, S. Thomas, T.R. Rama Mohan, B.T. Rao // Materials Letters 60 (2006) 1170-1173. doi: 10.1016/j.matlet.2005.10.102).
Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) определяли с помощью термомеханического анализатора Sentsys Evolution (Setaram, Франция). Показано, что в предложенном варианте состава покрытий ТКЛР плавно снижается от металлического связующего слоя до керамики (фиг.3). Как известно из практики эмалирования (Петцольд Α., Пешманн Г. Эмаль и эмалирование: справочное издание. Перевод с нем. М.: Металлургия, 1990), изменения около 1×10-6К некритичны для процесса отслоения покрытия.
Термоциклирование спеченных образцов ТЗП на Инконель 625 и подслоями с различным содержанием YSZ проводили в муфельной печи на воздухе. Образцы помещали в печь, разогретую до 1100°С, выдерживали в течение 10 мин, затем вынимали из печи и охлаждали на воздухе до комнатной температуры в течение 30 мин. После каждого цикла визуально осматривали поверхность с целью определения появления и развития трещин на внешнем керамическом слое. Общее количество выполненных циклов - 45. Формирование сетки трещин не наблюдали вплоть до окончания испытаний. По результатам металлографического анализа доля трещин относительно общей поверхности ТЗП не превышает 10%.
Таким образом, изобретение позволяет получить многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов.

Claims (1)

  1. Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов, включающее связующий слой из сплава MeCrAlY, где Me - Ni и/или Со, композиционные слои, содержащие сплав MeCrAlY, где Me - Ni и/или Со, и керамический слой, отличающееся тем, что композиционные слои последовательно дополнительно содержат нанопорошок диоксида циркония, стабилизированного 8 мас. % оксида иттрия, в количестве 14-18 мас. % и 28-32 мас. %, а керамический слой состоит из диоксида циркония, стабилизированного 8 мас. % оксида иттрия, в виде нанопорошка, при этом упомянутые слои нанесены из порошковой шихты с утряской, с дальнейшим уплотнением и спеканием многослойного покрытия методом искрового плазменного спекания при температуре 1030-1070°С.
RU2021123634A 2021-08-05 2021-08-05 Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов RU2766404C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021123634A RU2766404C1 (ru) 2021-08-05 2021-08-05 Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021123634A RU2766404C1 (ru) 2021-08-05 2021-08-05 Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2766404C1 true RU2766404C1 (ru) 2022-03-15

Family

ID=80736638

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021123634A RU2766404C1 (ru) 2021-08-05 2021-08-05 Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2766404C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110923607A (zh) * 2019-12-27 2020-03-27 上海英佛曼纳米科技股份有限公司 一种带有耐磨损抗粗糙度下降纳米涂层的冷轧活套辊

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2375499C2 (ru) * 2007-12-20 2009-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Способ получения многослойного теплозащитного покрытия на деталях из жаропрочных сплавов
RU2423550C1 (ru) * 2009-11-30 2011-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" Теплозащитное покрытие для лопаток турбин и способ его получения
CN204875186U (zh) * 2015-06-06 2015-12-16 姜堰市恒丰染整设备有限公司 耐腐蚀叶片式导布辊
CN106283456A (zh) * 2015-06-06 2017-01-04 姜堰市恒丰染整设备有限公司 耐腐蚀叶片式导布辊
RU2646304C2 (ru) * 2016-05-27 2018-03-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ локальной защиты изделия из жаропрочного сплава от газового алитирования
EA031995B1 (ru) * 2017-04-05 2019-03-29 Белорусский Национальный Технический Университет Способ нанесения газотермического покрытия

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2375499C2 (ru) * 2007-12-20 2009-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Способ получения многослойного теплозащитного покрытия на деталях из жаропрочных сплавов
RU2423550C1 (ru) * 2009-11-30 2011-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Производственное предприятие Турбинаспецсервис" Теплозащитное покрытие для лопаток турбин и способ его получения
CN204875186U (zh) * 2015-06-06 2015-12-16 姜堰市恒丰染整设备有限公司 耐腐蚀叶片式导布辊
CN106283456A (zh) * 2015-06-06 2017-01-04 姜堰市恒丰染整设备有限公司 耐腐蚀叶片式导布辊
RU2646304C2 (ru) * 2016-05-27 2018-03-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ локальной защиты изделия из жаропрочного сплава от газового алитирования
EA031995B1 (ru) * 2017-04-05 2019-03-29 Белорусский Национальный Технический Университет Способ нанесения газотермического покрытия

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110923607A (zh) * 2019-12-27 2020-03-27 上海英佛曼纳米科技股份有限公司 一种带有耐磨损抗粗糙度下降纳米涂层的冷轧活套辊

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xu et al. Novel thermal barrier coatings based on La2 (Zr0. 7Ce0. 3) 2O7/8YSZ double-ceramic-layer systems deposited by electron beam physical vapor deposition
JP4959213B2 (ja) 遮熱コーティング部材及びその製造方法ならびに遮熱コート材料、ガスタービン及び焼結体
Keyvani et al. Effect of sintering rate on the porous microstructural, mechanical and thermomechanical properties of YSZ and CSZ TBC coatings undergoing thermal cycling
JP4969094B2 (ja) 遮熱コーティング部材及びその製造並びにガスタービン
Ajdelsztajn et al. Synthesis and oxidation behavior of nanocrystalline MCrAlY bond coatings
Feng et al. Ablation behavior of single and alternate multilayered ZrC-SiC coatings under oxyacetylene torch
Zhao et al. Restrained TGO growth in YSZ/NiCrAlY thermal barrier coatings by modified laser remelting
Kablov et al. Heat-resistant coatings for the high-pressure turbine blades of promising GTES
Izadinia et al. Effect of segmented cracks on TGO growth and life of thick thermal barrier coating under isothermal oxidation conditions
Zhe et al. Thermal stability and mechanical properties of thick thermal barrier coatings with vertical type cracks
Daroonparvar et al. Effect of Y2O3 stabilized ZrO2 coating with tri-model structure on bi-layered thermally grown oxide evolution in nano thermal barrier coating systems at elevated temperatures
RU2766404C1 (ru) Многослойное теплозащитное покрытие на деталях из жаропрочных сплавов
Dhineshkumar et al. Enhanced ablation resistance through laser glazing of plasma sprayed LaTi2Al9O19-based functionally graded thermal barrier coating
EP2530063A2 (en) Composite article having silicate barrier layer and method therefor
Varghese et al. Plasma sprayed alumina-yttria composite ceramic coating for electrical insulation applications
Bhatty et al. Behavior of calcia-stabilized zirconia coating at high temperature, deposited by air plasma spraying system
Kuppusami et al. Evaluation of microstructure and coating integrity of EB-PVD deposited bi-layers of 7YSZ/Gd2Zr2O7 and 7YSZ/Y2O3-Gd2Zr2O7 top coats on bond coated superalloys
CN107790730A (zh) 一种在Nb‑Si基合金上制备高温抗氧化涂层的方法
JP2010242223A (ja) 遮熱コーティング部材及びその製造方法ならびに遮熱コート材料、ガスタービン及び焼結体
Park et al. Effects of the laser treatment and thermal oxidation behavior of CoNiCrAlY/ZrO2–8 wt% Y2O3 thermal barrier coating
CN107148493A (zh) 热障涂层以及涡轮构件
Cui et al. Thermal durability of thermal barrier coatings with bond coat composition in cyclic thermal exposure
Wang et al. Segmented lanthanum cerium oxide thermal barrier coatings by atmospheric plasma spray
Urtekin et al. An investigation of thermal properties of zirconia coating on aluminum
JP5320352B2 (ja) 遮熱コーティング部材及びその製造方法ならびに遮熱コート材料、ガスタービン及び焼結体