RU2818539C1 - Способ защиты деталей газовых турбин - Google Patents

Способ защиты деталей газовых турбин Download PDF

Info

Publication number
RU2818539C1
RU2818539C1 RU2023120955A RU2023120955A RU2818539C1 RU 2818539 C1 RU2818539 C1 RU 2818539C1 RU 2023120955 A RU2023120955 A RU 2023120955A RU 2023120955 A RU2023120955 A RU 2023120955A RU 2818539 C1 RU2818539 C1 RU 2818539C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
layer
nickel
corrosion
parts
Prior art date
Application number
RU2023120955A
Other languages
English (en)
Inventor
Никита Иванович Артеменко
Сергей Львович Балдаев
Алексей Леонидович Барабаш
Сергей Александрович Будиновский
Ирина Германовна Грандилевская
Алексей Алексеевич Живушкин
Олег Вадимович Кузьмин
Станислав Богданович Полянский
Борис Владимирович Рябенко
Дмитрий Алексеевич Сафронов
Никита Алексеевич Сидоров
Елена Александровна Тихомирова
Виктория Юрьевна Христосова
Игорь Александрович Чубуков
Дмитрий Николаевич Юрченко
Original Assignee
Акционерное общество "ОДК-Климов"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "ОДК-Климов" filed Critical Акционерное общество "ОДК-Климов"
Application granted granted Critical
Publication of RU2818539C1 publication Critical patent/RU2818539C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к способу защиты деталей газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов. Осаждают плазменный жаро- и коррозионно-стойкий слой на основе никеля из порошкового никелевого сплава ПНХ20К20Ю13 или на основе кобальта при соотношении кобальта и никеля, составляющем 2,17, с содержанием следующих компонентов, мас. %: хром 18-22, алюминий 10-15, кремний 0,2-1,0, иттрий 0,1-0,50. Затем осаждают материал на основе алюминия шликерным методом со степенью насыщения поверхности деталей 15-60 г/м2 или диффузионным методом или ионно-плазменным распылением катода из алюминиевого сплава в вакууме до получения удельного привеса на внешней поверхности деталей 15-60 г/м2. Проводят вакуумный отжиг. На поверхности упомянутых деталей получают двухслойное жаро- и коррозионно-стойкое покрытие с беспористым наружным алюминидным слоем. Обеспечивается нанесение покрытий для защиты от высокотемпературного окисления и сульфидно-оксидной коррозии деталей турбин из никелевых жаропрочных сплавов, при котором сохраняется жаропрочность основного защищаемого материала и повышается термическая циклическая долговечность и жаро- и коррозионная стойкость. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения комбинированных жаростойких покрытий, и может быть использовано в авиационном, судовом и энергетическом турбостроении для защиты деталей турбин из никелевых жаропрочных сплавов от высокотемпературного окисления и газовой сульфидно-оксидной и солевой коррозии.
В газотурбостроении широко известны способы защиты рабочих лопаток турбин с помощью нанесения на профильную часть рабочих лопаток покрытий, обладающих высокими жаро- и коррозионной стойкостью, термической стабильностью и необходимым комплексом физико-химических свойств в контакте с жаропрочными сплавами на никелевой основе. Покрытия применяются как в однослойном варианте с использованием для их осаждения сплавов, содержащих различные легирующие добавки, так и в виде двухслойной композиции с внешним слоем на основе алюминидов никеля.
Известен способ защиты внешней поверхности пера лопаток газовых турбин от высокотемпературного окисления (RU 2065505), включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе никеля с теми же компонентами, но дополнительно вводится кобальт 8-10% и вакуумный диффузионный отжиг. Недостатком данного способа является то, что свойства и адгезия двухслойного металлического покрытия зависят от состава каждого слоя, от величины диффузионной зоны между основным металлом детали и металлом покрытия, а жаростойкость зависит от соотношения входящих в него компонентов и в первую очередь от содержания алюминия. Поэтому требуется сложная технологическая обработка, включая обработку микрошариками, для выравнивания остаточных напряжений и двукратный вакуумный диффузионный отжиг. Увеличение термостойкости достигается введением специальных методов поверхностной обработки и увеличением числа слоев, включая нанесение керамического теплозащитного слоя на основе диоксида циркония.
В рекомендуемом способе (RU 2065505; Patnaik Р.С., Imnarigeon J.-P. High Temperature Protective Coatings for Aero Engine Gas Turbine Components. - National Aeronautical Establishment, Ottawa, sept. 1986, 58 p.; Гецов Л.Б., Рыбников А.И., Круковский П.Г., Рабинович А.А. Методика расчетного определения коррозионной долговечности многослойных покрытий на лопатках газотурбинных двигателей. В кн.: Обеспечение коррозионной надежности лопаток газовых турбин.-Материалы по обмену опытом. В530. Труды научно-технического общества судостроителей имени акад. А.Н. Крылова, Л., 1992, 95 с.) нанесения жаростойкого покрытия в два этапа, причем подслой, наносимый первым этапом, содержит кобальта 10-11%, хрома 22-24%, алюминия 4-5%, иттрия 0,25-0,3%, никеля - остальное. После нанесения жаростойкого покрытия проводят последовательно вакуумный диффузионный отжиг, обработку микрошариками, абразивно-жидкостную обработку, наносят керамический слой методом конденсации и испарения в вакууме, проводят 2-й вакуумный диффузионный отжиг, окислительный отжиг, термическое оплавление керамического слоя высокотемпературной импульсной плазмой и заканчивают обработку вторым окислительным отжигом.
Недостатком данного способа является сложность формирования покрытия в вакууме после нанесения (электронно-лучевое испарение в вакууме) и отжига, а также использование дополнительного наружного керамического слоя с необходимостью дважды выполнять окислительный отжиг. Покрытие также является мало ремонтопригодным и не отличается своими коррозионно-защитными свойствами в агрессивной среде.
Известен (RU 2033474) способ защиты поверхности пера рабочих лопаток от высокотемпературного окисления, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного танталом при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Хром 6-14
Алюминий 10-13,5
Тантал 1,5-4,5
Иттрий 0,1-0,8
Никель остальное
Недостатком данного способа является необходимость использования вакуумных процессов нанесения и отжига, а также использование дорогостоящего и дефицитного тантала в качестве легирующего элемента. К числу относительно слабых мест покрытия является его малоремонтопригодность и коррозионно-защитные свойства.
Известен (RU 2078148) способ создания 3-слойного теплозащитного покрытия, в котором в первый слой на никелевой основе вводят дополнительно легирующий элемент кобальт 7-9%, второй слой образован на алюминиевой основе, легированный никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, причем 1-й и 2-й слои минимальные по толщине, а также введение в техпроцесс таких операций, как виброшлифование и обдувка шлифпорошком перед образованием 3-го керамического слоя с последующими дополнительным диффузионным вакуумным отжигом и окислительным отжигом.
Недостатком данного способа является необходимость использования вакуумных процессов нанесения (вакуумно-плазменная обработка высоких энергий) и отжига, а также использование дополнительного наружного керамического слоя, что усложняет технологический процесс и контроль качества покрытия в целом и делает его малоремонтопригодным.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ защиты деталей газовых турбин (ЕР 0266299 А2), где в качестве жаро- и коррозионностойкого адгезионного с керамическим слоем подслоя используется слой на основе никеля со следующим заявленным соотношением компонентов (вес. %): 15-40% кобальта, 10-40% хрома, 6-15% алюминия, 0-2% гафния, 0-7% кремния, 0,01-0,1% иттрия. Причем адгезионный слой и теплоизоляционный слой могут наноситься на металлический предмет за счет атмосферного плазменного распыления.
Одним из основных недостатков данного технического решения является возможное накопление остаточных напряжений в жаростойком слое при теплосменах из-за недостаточно плотной структуры металлического покрытия, а также из-за разницы в коэффициентах термического расширения металлического подслоя и керамического слоя покрытий, что может привести к отслаиванию покрытий и возникновению поверхностных микротрещин в основном металле.
Технической задачей изобретения является разработка технологичного способа нанесения покрытий для защиты от высокотемпературного окисления и сульфидно-оксидной коррозии деталей турбин из никелевых жаропрочных сплавов, при котором сохраняется жаропрочность основного защищаемого сплава при повышении термоусталостной циклической долговечности и жаростойкости.
Техническая задача достигается тем, что предложен способ защиты деталей газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение на внешнюю поверхность детали плазменного жаро- и коррозионно-стойкого покрытия на никелевой или кобальтовой основе при соотношении этих элементов равном 1,85-3,8 при содержании (вес. %) хрома 18-22%, алюминия 10-15%, кремния 0,2-1,0%, иттрия 0,1-0,50%, последующее осаждение материала на основе алюминия шликерным способом со степенью насыщения 15-60 г/м2 и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что на поверхности формируется двухслойное покрытие с беспористым наружным алюминидным слоем для защиты от высокотемпературного окисления и сульфидно-оксидной коррозии. Осаждение материала на основе алюминия производится диффузионным способом или ионно-плазменным распылением катода из алюминиевого сплава в вакууме до получения удельного привеса на поверхности пера 15-60 г/м2. Нанесение двухслойного жаро- и коррозионно-стойкого покрытия с внешним слоем проводят при ремонте деталей газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов после эксплуатационной наработки.
Нанесение двухслойного покрытия с внешним алюминидного плотным беспоритсым наружным слоем позволяет увеличить жаростойкость, коррозионную стойкость и термическую циклическую долговечность защищаемого сплава.
Пример 1 осуществления
На образцы из никелевого жаропрочного коррозионностойкого сплава ЧС70ВИ диаметром 18 мм и длиной 20 мм наносилось покрытие на кобальтовой основе с соотношением кобальта к никелю равном 2,17, содержащее также хром, алюминий, кремний и иттрий в указанных выше пределах.
Испытания образцов проводились под слоем синтетической золы газотурбинного топлива толщиной 10-15 мг/см2. В качестве основной характеристики коррозии была принята удельная потеря массы образцов при температурах 700 и 750°С в течение 200 ч, которую определяли после испытания их на коррозию и удаления продуктов взаимодействия с агрессивной средой. Удельные потери массы составили значения от 8⋅10-4 до 10-3 г/см2 при 700°С и 1,85⋅10-3 до 2,6⋅10-3 г/см2 при 750°С.
Испытание исходных образцов с покрытиями указанного состава по методике ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова на газодинамическом стенде при солевой нагрузке 0,2 г/м2⋅час и температуре 740°С привело к удельной потере массы не более 4⋅10-3 г/см2 за 25 ч испытаний, что существенно лучше по сравнению с выбранным аналогом, для которого это значение составляет 8-8,5⋅10-3 г/см2 (значение соответствует данным удельной потери массы сплава ЧС70ВИ без покрытий при испытаниях в расплаве солей: 1 часть (50% NaCl + 50% Na2SO4) + 1,24 части-морская соль). При этом в промывочном растворе фиксируется проявление коррозионных защитных функций покрытий по содержанию шестивалентного хрома на поверхности (Cr6+) после 12 ч стендовых испытаний на уровне 0,007 мг/л, что соответствует значению для сплава ЧС70ВИ без покрытий - 0,012 мг/л.
Сравнение результатов с литературными данными позволяет сделать вывод, что выбранный состав покрытия не только не уступает по своим коррозионным свойствам имеющимся, но отчасти и превосходит их, поэтому может быть использован на практике.
Пример 2 осуществления
На образцы из никелевого сплава ЖС26ВСНК для испытаний на длительную прочность с диаметром рабочей части 5 мм и на полые образцы для испытаний на термостойкость с внешним диаметром 10 мм на промышленной установке Sulzer Metco плазменным методом было нанесено покрытие с использованием порошкового никелевого сплава ПНХ20К20Ю13 с соотношением никеля к кобальту равном 2,19.
На половину образцов дополнительно ионно-плазменным методом нанесли покрытие из алюминиевого сплава ВСДП-11. Все образцы были отожжены в вакууме при температуре 1050ОС в течение 3 ч.
Структура покрытий плазменное ПНХ20К20Ю13, плазменное ПНХ20К20Ю13 + ионно-плазменное ВСДП-11 после испытаний на термостойкость показаны, соответственно, на фиг. 1 (а, в) и фиг. 2 (а, в), а также на фиг. 1 (б, г) и фиг. 2 (б, г).
Для оценки уровня свойств образцов с покрытием было выбрано два вида испытаний - длительная прочность и термическая усталость. Испытания на длительную прочность проводились согласно ГОСТ 10145-81 на стандартных образцах с покрытием и без него до разрушения.
Для оценки термической усталости была разработана специальная форма конструктивно-подобного образца (фиг. 4), которая была апробирована на образцах сплавов с разными покрытиями и без них. Метод заключается в осуществлении циклических возвратно-поступательных движений образцов в термическую печь с заданной температурой термоцикла 950↔20°С. Охлаждение производится до заданной температуры, контроль температуры охлаждения пирометрический. Дополнительно для подтверждения проводился капиллярный, фрактографический и металлографический контроль.
Результаты испытаний на длительную прочность и термостойкость по выбранным материалам образцов приведены в таблице результатов испытаний на длительную прочность и термостойкость покрытий (фиг. 3).
Испытаниями и исследованиями установлено, что в отличие от аналогов разработанные покрытия обладают следующими преимуществами:
- покрытия обладают высокими коррозионно-защитными свойствами в агрессивной среде;
- позволяют жаропрочному сплаву более длительное время сохранять свой элементный и фазовый состав, а значит и жаропрочные свойства в целом;
- адгезионный (основной) слой покрытия сохранен, плотный, без признаков расслоения и интенсивного окисления, что способствует повышению жаро- и коррозионной стойкости в целом и не требуется сложной поверхностной технологической обработки для выравнивания остаточных напряжений;
- при удовлетворительной в соответствии с НД длительной прочности, повышается термостойкость образцов с покрытиями за счет «срабатывания» дополнительного наружного слоя, не менее чем в 2 раза, без видимых микротрещин основного металла по границе сплав-покрытие;
- способ экономичен и доступен в части оборудования и материалов, и может применяться как для основного производства, так и для ремонта.

Claims (2)

1. Способ защиты деталей газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов, включающий последовательное осаждение на внешнюю поверхность упомянутой детали плазменного жаро- и коррозионно-стойкого слоя, последующее осаждение слоя материала на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что указанный плазменный жаро- и коррозионно-стойкий слой выполняют на основе никеля из порошкового никелевого сплава ПНХ20К20Ю13 или на основе кобальта при соотношении кобальта и никеля, составляющем 2,17, с содержанием следующих компонентов, мас. %: хром 18-22, алюминий 10-15, кремний 0,2-1,0, иттрий 0,1-0,50, упомянутое осаждение материала на основе алюминия осуществляют шликерным методом со степенью насыщения поверхности деталей 15-60 г/м2 или диффузионным методом до получения удельного привеса на внешней поверхности деталей 15-60 г/м2, или ионно-плазменным распылением катода из алюминиевого сплава в вакууме до получения удельного привеса на внешней поверхности деталей 15-60 г/м2, при этом на поверхности упомянутых деталей получают двухслойное жаро- и коррозионно-стойкое покрытие с беспористым наружным алюминидным слоем.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование упомянутого двухслойного жаро- и коррозионно-стойкого покрытия проводят для защиты путем ремонта, в том числе локального, деталей газовых турбин из жаропрочных литейных никелевых сплавов после эксплуатационной наработки.
RU2023120955A 2023-08-09 Способ защиты деталей газовых турбин RU2818539C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818539C1 true RU2818539C1 (ru) 2024-05-02

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1608243C3 (de) * 1966-09-07 1978-06-29 Secretary Technology Brit Verfahren zur Herstellung von dispersionsgehärteten Legierungswerkstoffen mit Aluminium als Basis
RU2190691C2 (ru) * 2000-12-07 2002-10-10 Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Способ защиты лопаток газовых турбин
RU2280096C1 (ru) * 2004-11-29 2006-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Способ защиты лопаток газовых турбин
RU2283365C2 (ru) * 2004-11-29 2006-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Способ защиты лопаток газовых турбин
RU2402633C1 (ru) * 2009-03-31 2010-10-27 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1608243C3 (de) * 1966-09-07 1978-06-29 Secretary Technology Brit Verfahren zur Herstellung von dispersionsgehärteten Legierungswerkstoffen mit Aluminium als Basis
RU2190691C2 (ru) * 2000-12-07 2002-10-10 Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Способ защиты лопаток газовых турбин
RU2280096C1 (ru) * 2004-11-29 2006-07-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Способ защиты лопаток газовых турбин
RU2283365C2 (ru) * 2004-11-29 2006-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Способ защиты лопаток газовых турбин
RU2402633C1 (ru) * 2009-03-31 2010-10-27 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3928026A (en) High temperature nicocraly coatings
US5981088A (en) Thermal barrier coating system
US7273662B2 (en) High-temperature coatings with Pt metal modified γ-Ni+γ′-Ni3Al alloy compositions
US5498484A (en) Thermal barrier coating system with hardenable bond coat
US4714624A (en) High temperature oxidation/corrosion resistant coatings
US6964791B2 (en) High-temperature articles and method for making
US9382605B2 (en) Economic oxidation and fatigue resistant metallic coating
US3849865A (en) Method of protecting the surface of a substrate
US20140271220A1 (en) Erosion resistant coating
US20060210825A1 (en) High-temperature coatings and bulk alloys with Pt metal modified gamma-Ni + gamma'-Ni3Al alloys having hot-corrosion resistance
JPH0613749B2 (ja) 耐酸化性かつ耐高温腐食性ニッケル基合金被覆材並びにそれを用いた複合製品
Sloof Self healing in coatings at high temperatures
JPH02503576A (ja) 被覆した近αチタン品物
US4946749A (en) Coated near-alpha titanium articles
GB2159838A (en) Surface strengthening of overlay coatings
RU2818539C1 (ru) Способ защиты деталей газовых турбин
Saboundji et al. Development of a new coating compatible with third-generation Nickel-based superalloys and thermal barrier coatings
EP3048183B1 (en) Corrosion resistant coating application method
RU2818096C1 (ru) Способ защиты лопаток и соплового аппарата газовых турбин
Briguente et al. Comparative study of creep resistance of a Ti-6Al-4V alloy with metallic and ceramic coatings
Muboyadzhyan et al. Corrosion-resistant coating for GTE compressor parts made of steels with low tempering temperatures
Samantaray et al. Diffusional Interactions and their Applications in Reducing Interdiffusion in Bond Coat Systems Used in Turbine Blades
Brossa et al. Structure and composition of MCrAlY coatings modified by Al additions
Yuan et al. Influence of Ru, Mo and Ir on the Behavior of Ni-Based MCrAlY Coatings in High Temperature Oxidation
EP0987345B1 (en) Thermal barrier coating system