Способ получения теплозащитных покрытий

(51) 5 НИЯ ОП ЕТЕЛ ОМУ АВТ ское научн ие пороь)к ий ЗАЩИТ ллищит- таетного кераойко- икли- ости рмо к яние слоя кость сни- ждаГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИЕ ИЗОБР(71) Белорусское республиканпроизводственное объединенвой металлургии-ЫХ ПОКРЫТИЙ Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам плазменногонапыления керамических теплозащитныхпокрытий,Известны способы нанесения теплозащитных покрытий, включающие плазменное напыление на основу слоя сцепления изжаростойкого металлического сплава, а затем керамическоготеплозащитного слоя издиоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия, кальция, магния,церия или иттербия.Частичная стабилизация диоксида циркония обеспечивает фиксацию в материалеметастабильной тетрагональной фазы Ег 02.котор ая значительно,увеличивает вязкостьразрушения керамики, В результате напряжения рассогласования, возникающие е покрытии при термоциклировании в процессеего эксплуатации иэ-за различного теплового расширения керамики и металлической(57) Использование: для тепловой защиты деталей газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания, Сущность изобретения: на деталь сначала напыляют подслой из сплава никель-кобальт. содержащего хром, алюминий и иттрий, и трехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида циркония при изменении объема пор в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3-5 до 15-18%, Слой с наибольшим объемом пор проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до УГОХ, где 1х2, а после напыления покрытия проводят спекание в нейтральной атмосфере при 1000-1200 С в течение 2 - 4 ч с последующим окислительным отжигом при 750-900 С в течение 1 - 4 ч. 2 табл,основы, релаксируется не только в мета ческом подслое, но и в слое керамики не менее стойкость описанных теплоза ных покрытий стермоциклированию ос ся низкой из-за недостаточно эффектив торможения движения микротрещин в мическом слое,Известны способы увеличения ст сти теплозащитных покрытий к термоц рованию путем увеличения порист керамического слоя,Поры в керамическом покрытии то зят движение )4 икрг)трещин, что увели ет вязкость разрушения керамики и следствие, стойкость покрытия к термо лированию. Однако погожительное вли увеличение пористости керамического теплозащитного покрытия на его стой к термоциклированию ограничивается жением прочности материала. сопрово ющим увеличением пористости. Кромеостроугольные мелкие поры сами могут стать источниками зарождения микротрещин, Это снижает эффективность воздействия описанных способов на стойкость покрытий к термоциклированию.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ напыления керамического или металлокерамического высокотемпературного трехслойного по. крытия, объем пор в котором увеличивается в направлении от наружного слоя к внутреннему от 3 - 5 до 15, - 18, Увеличеннглй объем пор;. в керамическом слое вблизи металлической основы позволяет более эффективно релаксировать напряжения рассогласования, вознлкающие при термоциклировании конструкции, а плотные внешние слои обеспечивают прочность, необходимую для противодействия механическим нагрузкам и коррозионному воздействио среды,Недостатком способа является то, что эффект увеличения стойкости покрытия к термоциклированию путем увеличения порис ости прилегающего к основе слоя керамического покрытия ограничен, так как при увеличении пористости снижается прочность латериала и увеличивается вероятность появления остроугольных пор, ослабляющих сечение покрытия,Ьель изобретения - повышение стойкости покрытий к термоциклированию,Поставленная цель достигается тем, что напыление слоя покрытия с наибольшим обьемом пор проводят порошком частично стабилизиоованного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ЕгОх, где 1,0х2,0, а после напыления покрытия проводят спекание в нейтральной атмосфере при 1000-1200 С в течение 2-4 ч с последующим окислительным отжигом при 750 - 900 ОС в течение 1 - 4 ч.Сущность предлагаемого способа заключается в следующем,При напылении трехслойного покрытия из частично стабилизированного диоксида циркония с подслоем из сплава кобальт-никель, содержащего хром, алюминий и иттрий, плазменное напыление слоя покрытия с наибольшим обьемом пор. проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ЪОх где 1,0х2.0. В сформированном таким образом покрытии межчастичные контакты и поверхность пор слоя покрь 1 тия с наибольшим объемом пор состоят из низших оксидов циркония,При напылении слоя покрытия с наибольшим обьемом пор порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до 7 гОх.5 где х 1,0 объем пор значительно уменьшается при окислении ЕгО до Ег 02, что увеличивает разность между коэффициентами линейного расширения, подслоя и слоя покрытия, а при х = 2,0 во время окислительно го отжига не происходит округления пор изарастания микротрещин в областях межча-.стичных контактов. Таким образом, использование порошков частично стабилизированного диоксида циркония, 15 восстановленных с поверхности до УгО, гдех1,0 или х = 2 приводит к снижению стойкости покрытий к термоциклированию,Операция спекания в нейтральном атмосфере при 1,000-1200" С в течение 2-4 ч 20 проводится для физико-химического взаимодействия между частицами диоксида циркония и слоем диоксида циркония и подслоем по межчастичным контактам, состоящим из низших окислов циркония, что 25 повышает прочность сцепления слоя диоксида циркония с подслоем. При проведении спекания при температуре менее 1000 С в течение менее 2 ч количество образуемого соединения или твердого раствора на гра нице слой диоксида циркония-подслой. атакже диффузионное взаимодействие в областях межчастичных контактов незначительно, а при температуре более 1200 С и времени более 4 ч происходят необратимые 35 изменения в металлическом подслое и основе, ухудшающие их жаропрочность и термоусталость, Такая термообработка недопустима в технологии нанесения покрытий на изделия из жаропрочных спла вов. Проведение спекания в окислительнойатмосфере при 1000-1200 С в течение 2-4 ч приводит к образованию значительного окисного слоя на границе подслой-слой диоксида циркония, что, в свою очередь, сни жает стойкость покрытия ктермоциклированию.Операцию окислительного отжига проводят для окисления низших оксидов до стабильного диоксида циркония Ег 02. В 50 процессе окисления за счет увеличения объема окисляющихся участков эффективно залечиваются микродефекты межчастичных контактов и притупляются остроугольные участки поверхности пор. Общая пори стость покрытий при этом практически неизменяется, Развитие взаимодействия в межчастичных контак 1 ах и округление пор приводит к увеличению прочности и вязкости разрушения покрытий и, как следствие, стойкость покрытий к термоциклированию.1749311 5 10 15 25 30 35 40 55 При проведении окислительного отжига при температуре менее 750"Си времени менее 1 ч не происходит полное окисление ЕгО до ЕгОг, а проведение отжига при температуре более 900 С и времени боле 4 ч приводит, кроме окисления ЕгО до ЕгОг, к росту окисной пленки на поверхности подслоя, что снижает стойкость покрытий к термоциклировэнию.П р и м е р, На торцовую поверхность образцов из сплава ЖСдиаметром 20 мм и толщиной 10 мм наносили теплозащитные покрытия, Нанесение покрытий проводили на специализированном комплекте оборудования,Перед нанесением подслоя образцы подвергали струйно-абразивной обработке карбидом кремния с последующей очисткой от остатков абразива на ультразвуковой установке в среде этилового спирта. Рабочую камеру предварительно вакуумировали до давления 10 бар, потом заполняли аргоном до давления 2 10 бар, затем проводи-гли ионную очистку и нагрев образцов до 750-800 С. После. очистки и нагрева образцов наносили подслой толщиной 0,1 мм из порошка сплава на основе Со с 10% %, 25 Сг б, А 1 5% Тэ и 0,6% Ч. Режим нанесения подслоя - ток электрической дуги 730 А. напряжение дуги 65 В, давление в камере 5 40 бэр; расход водорода 10 л/мин, расход аргсна 50 л/мин, расход порошка 2,0 кг/ч, расход транспортирующего газа (аргон) 2 л/мин, дистанция напыления 350 мм,После нанесения подслоя рабочая камера развакуумировалась и проводилось нанесение трехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида циркония, состава ЕгОг - 7% УгОз фракцией 5-40 мкм с изменением обьема пор в направлении от наружного слоя квнутреннему от 3-5 да 15-18%. Напыление слоя покрытия с наибольшим обьемом пор по прототипу наносилось не восстановленным с поверхности порошком частично стабилизированного диоксида циркония, а по предлагаемому способу по-,рошом, восстановленным с поверхности.50 до ЪО, где 1,0х 2,0. Для восстановления частиц порошка с поверхности порошок ЕгОг - 7% ЧгОз 1100-1300 С в течение 2-4 ч. Степень восстановления оксидов на поверхности частиц контролировали микрорентгеноспектральным анализом нэ растровомэлектронном микроскопе. б1Покрытия наносили на семь групп образцов по пять образцов в каждой группе(однэ группа . по известному. шесть попредлагаемому способам), Пористость слоев измеряли нэ шлифах поперечных сечений покрытий (двух перпендикулярныхсечениях на одном образце каждой группы)металлографическим методом.После нанесения подслоя и трехслойного покрытия из порошков частично стабилизированного диоксида циркония образцы спокрытиями, полученными по предлагаемому способу, подвергали термической обработке по режимам, приведенным в табл. 2,Стойкость покрытий к термоциклированию определяли по количеству термоциклов, которые выдерживали образцы доразрушения слоя керамического покрытия,Термоцикл представлял нагрев образца впечи при 1100 С в течение 0,25 ч и последующее охлаждение в воде до комнатной температуры Разрушение покрытияфиксировали визуально после каждого цикла по появлению признаков отслоения покрытия или его части, Стойкость покрытий ктермоциклированию (количество циклов)определяликэк среднее значение по четырем образцам.Как видно иэ табл. 2 (примеры 3-5) стойкость покрытий к термоциклированию, нанесенных по предлагаемому способу, в1,2-1,4 раза выше по сравнению с известным покрытием, Однако при выходе значений режимов способа (примеры 2 и 6) эапредлагаемые пределы стойкость покрытийк термоциклированию снижается.Формула изобретенияСпособ получения теплозащитных покрытий, включающий плазменное напыление подслоя иэ сплава кобальт-никель,содержащего хром алюминий и иттрий, итрехслойного покрытия из порошка частично стабилизированного диоксида цирконияпри изменении обьема пор в направленииот наружного слоя к внутреннему от 3-5 до15-18%, о т и и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения стойкости покрытий ктермоциклированию. плазменное напыление слоя покрытия с наибольшим объемомпор проводят порошком частично стабилизированного диоксида циркония, восстановленного с поверхности до ЕгО, где1,0х2,0, а после напыления покрытияпроводят спекание в нейтральной атмосфере при 1000-1200 С в течение 2-4 ч, с последующим окислительным отжигом при750 - 900"С в течение 1-4 ч,1749311 Таблица 1 2 бл Режимы спосо Материал образцов ЖС-ЗО,маслоя - Со - 10%; К 25%; Сг 6/О,бо; У, материал теплозащитных скрытия ЕГ 02 - 76, У 20 з. в поИзвестный спос 2 гаемый способ 38 3 5 оя, при нанесении первого ного покрытия поверхность а восстановлена до 2 гОо 9, окрытия в нейтральной ат,5 ч, окислительный отжиг крытия 700 С, 0,5 чоя, при нанесении первогощитного покрытия поверх- ность частиц восстановлена до 2 г 01,о, спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 1000 С, 2 ч, окислительный отжиг всего покрытия 750 С, 1 ч Нанесение подслоя, при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхностьчастиц порошка восстановлена до 2 г 1,6, спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 1100 С, 3 ч, окислительный отжигвсего покрытия 825 С, 2,5 ч Нанесение подслоя, при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхностьчастиц порошка восстановлена до 2 г 01,9. спекание всего покрытия в нейтральной атмосфере 1200 С, 4 ч, окислительный о 1 жигвсего покрытия 900 ОС, 4 ч Нанесение подслоя, при нанесении первого слоя теплозащитного покрытия поверхностьчастиц порошка не восстанавливалась (2 гО), спекание всего покрытия в нейтральной атмосферВ 1250 С, 4,5 ч, окислительныиотжиг всего покрытия 950 С, 4,5 ч