Способ защиты жаропрочных материалов от воздействия агрессивных сред высокоскоростных газовых потоков (варианты)

 

Способ защиты жаропрочных материалов от воздействия агрессивных сред высокоскоростных газовых потоков включает нанесение на поверхность слоя на основе кремния, содержащего в мас.%: 15-40 титана, 5-30 молибдена, 0,1-1,5 иттрия, 0,5-2,5 бора, 0,2-6,0 хрома, 7-10 одного или несколько элементов из VIII группы, либо слоя, на основе кремния содержащего, в мас.%: 15-40 титана, 5-30 молибдена, 0,1-1,5 иттрия, 0,5-2,5 бора, и последующую термообработку при 1300-1600^oC. По первому варианту слой может содержать 1,5 мас.% марганца. 2 с. и 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, а именно к защите жаропрочных конструкционных материалов, работающих в условиях воздействия агрессивных, высокотемпературных, высокоскоростных газовых потоков.

Известны способы защиты жаропрочных материалов путем формирования на их поверхности силицидных покрытий на основе тугоплавких металлов (Дзядыкевич Ю.В. Защита ниобия и его сплавов от высокотемпературного окисления. Известия АН СССР, Металлы, 1987, N3, с.187-190). Наиболее близким к заявляемому является способ защиты тугоплавких металлов (ниобия и титана) путем нанесения на их поверхность суспензии, содержащей Cr, Ti, минеральный активатор с последующей обработкой в неокислительной среде, и аналогичным последующим нанесением кремния (патент Франции N 2093999, C 23 C 9/00, 1972).

Однако известное покрытие сохраняет защитные свойства только до температуры 1480^oC, а в условиях воздействия высокоскоростных высокотемпературных потоков воздуха, кислорода или продуктов сгорания высококалорийных топлив возникают локальные разрушения защитного покрытия. Кроме того в окрестности разрушения известного покрытия может происходить его возгорание с переходом к самоподдерживающемуся горению всей конструкции в потоке окислительной среды.

Целью настоящего изобретения является осуществление защиты жаропрочных материалов, работающих в агрессивной среде, путем создания более жаростойкого, чем известное, покрытия, обладающего свойствами самозалечивания дефектов покрытия в процессе воздействия на него высокотемпературной окислительной среды со скоростью самозалечивания, превышающей скорость развития возникающего дефекта.

Поставленная задача достигается при помощи следующих двух вариантов.

По первому варианту способа защиты жаропрочных материалов от воздействия агрессивных сред высокоскоростных газовых потоков, включающему нанесение на поверхность материала слоя, содержащего титан, кремний, и последующую термообработку, согласно изобретению наносят слой, дополнительно содержащий молибден, хром, иттрий, бор, один или несколько элементов VIII группы, при следующем соотношении компонентов, мас.

Титан 15 40 Молибден 5 30 Бор 0,5 2,5 Иттрий 0,1 1,5 Хром 0,2 6,0 Один или несколько элементов из VIII группы 7 10 Кремний Остальное а термообработку проводят при температуре 1300 1600^oC.

Возможно нанесение слоя, дополнительно содержащего 1,5 мас. марганца.

По второму варианту, включающему нанесение на поверхность слоя, содержащего титан, кремний, и последующую термообработку, согласно изобретению, наносят слой, дополнительно содержащий молибден, иттрий, бор, при следующем соотношении компонентов, мас.

Титан 15 40 Молибден 5 30 Иттрий 0,1 1,5
Бор 0,5 2,5
Кремний Остальное
а термообработку проводят при температуре 1300 1600^oC.

С помощью таких составов и структуры защитного покрытия, при наличии которых в процессе эксплуатации в покрытии образуется жидкая фаза, обладающая высокой смачиваемостью по отношению к кристаллическим структурным составляющим покрытия и пребывающая в вязко-текучем состоянии, достигается требуемый технический результат. Эта фаза дискретно распределяется среди твердой фазы покрытия, выполняющей роль каркаса, и перемещается в область возникающих разрушений, затягивая их. Необходимые структура и адгезионное свойство покрытий формируются в процессе его нанесения и термообработки.

За счет высокой смачиваемости, естественных сил поверхностного натяжения и высокой адгезии исключается унос с обдуваемой поверхности частиц покрытия, образующихся в местах нарушения его целостности, сохраняется структура и фазовый состав покрытия и, следовательно, сохраняются его защитные свойства в условиях агрессивных высокотемпературных высокоскоростных газовых потоков.

Заявляемые составы и метод формирования защитного слоя обеспечивает образование на защищаемой поверхности жаростойкого покрытия, представляющего собой гетерофазный слой дисилицидного материала с каркасной структурой, внутри которой находится относительно легкоплавкая кремнийсодержащая структурная составляющая. Температура термообработки соответствует или несколько выше температуры плавления этой относительно легкоплавкой структурной составляющей.

В связи с тем, что диаграмма состояния выбранной многокомпонентной системы неизвестна, температура термообработки, необходимая для формирования адекватного гетерофазного покрытия, была определена экспериментально и находится в пределах 1300 1600^oC.

При температурах менее 1300^oC покрытие не формируется, а при температурах выше 1600^oC невозможно получить равномерное по толщине покрытие на поверхностях с различной кривизной.

Отклонение от указанного состава неизбежно приводит к нарушениям в фазовом составе и в морфологической особенности структуры, которые в комплексе обеспечивают высокотемпературные защитные характеристики и высокую способность покрытия к самозалечиванию случайных дефектов, в том числе на острых кромках защищаемых теплонапряженных элементов конструкции.

Пример 1. На образцах диаметром 20 мм, толщиной 1,5 мм из ниобиевого сплава было сформировано с использованием шликерного метода покрытие. Образец предварительно был механически обезжирен. Шликерный слой был нанесен кистью на воздухе на все поверхности и кромки образцов.

Шликерная суспензия состояла из композиции, в которой в качестве дисперсионной среды использовалась вода, а в качестве наполнителя порошок наносимого материала покрытия. Соотношение воды и порошка в композиции составляли 1:1,5.

Материал порошка имел следующий состав, мас.

Ti 30, Mo 10, Y 0,5, B 2,0, Fe 7,0, Cr 0,2, кремний остальное.

Размер частиц порошка был примерно 10 мкм.

После высушивания образцов, покрытых шликерной суспензией, на воздухе в течение 40 мин, они были нагреты в вакуумной среде при остаточном давлении газов 510^-3 мм рт. ст. при температуре 1420^oC в течение 8 мин. Таким образом было сформировано качественное равное покрытие, толщина которого на разных образцах была в пределах 90 110 мкм.

Образцы с защитным покрытием были подвергнуты испытаниям на термоциклирование с термоударом в условиях естественной конвекции воздуха по следующему режиму: нагрев от 20^oC до 1600^oC за 5 с, выдержка 10с, охлаждение до 1300^oC за 30 с, выдержка при 1300^oC 20 мин, охлаждение до 20^oC произвольное. Образцы выдержали 50 циклов испытаний, после чего испытания были прекращены.

Образцы были также подвергнуты испытаниям на солнечной установке при 1780^oC для определения их работоспособности при этих температурах. На образцах не было обнаружено признаков окисления в течение не менее 7200 с окисления при 1780^oC.

Образцы были также испытаны в газовом потоке из продуктов сгорания топлива при следующих характеристиках режимов испытаний: скорость потока M=2,5; давление торможения P=1,7 МПа; температура торможения T=1480^oC; температура на поверхности образца T= 1680^oC; коэффициент тепломассообмена /Cp=10 кг/(м²с). Образцы выдержали испытания без разрушения в течение 500 секунд в условиях направленности потока перпендикулярно к плоской поверхности образца и в течение 60 секунд в условиях направленности потока на острую кромку. Аналогичные образцы из сплава без покрытия сгорели на первых секундах испытаний.

Пример 2. На образцах 60x10x3 мм из углерод-углеродного композиционного материала С/С-2Д(УУКМ), покрытого карбидом кремния, было сформировано защитное покрытие с использованием шликерного метода нанесения.

Образцы предварительно были обезжирены.

Образец из УУКМ был вырезан из плиты, поэтому с кромок углеродные нити были отрезаны. Кромки не скруглялись. Шликерный слой был нанесен кистью на воздухе кругом на все поверхности и кромки. Шликерная суспензия состояла из композиции, в которой в качестве дисперсионной среды использовался этилсиликат, а в качестве наполнителя порошок наносимого материала покрытия. Соотношение этилсиликата и порошка в композиции составлял 1:1.

Материал порошка имел следующий состав, мас.

Ti 30, Mo 10, Y 0,5, B 1,5, Fe 7,0, Mn 1,5, Si остальное.

После высушивания образцов на воздухе в течение 1 ч они были нагреты в вакуумной среде 110^-4 мм рт. ст. при температуре 1440^oC в течение 5 мин. Таким образом было сформировано покрытие, повторяющее рельеф поверхности субстрата. Толщина нанесенного шликерного слоя была в пределах 85-115 мкм.

Образцы с защитным покрытием, были подвергнуты испытаниям на термоциклирование в потоке горячего воздуха. Условия испытаний: скорость потока 1670 м/с, температура потока 2153^oC, давление потока 38-90 Па, давление за скачком уплотнения 0,2 МПа, число Маха 1,9, расстояние до образца от среза сопла 105 мм, площадь нагреваемого пятна на поверхности образца 78,5 мм², направление потока перпендикулярно поверхности образца. Термоциклирование было осуществлено с термоударом по следующему режиму: нагрев 20^oC до 1700^oC за 5 с, выдержка 10 с, охлаждение до 120-200^oC произвольное. Образцы выдержки без разрушения 20 циклов испытаний. Скорость уноса покрытия за суммарное время испытаний составила 0,0009 кг/(м²C).

Образцы были также подвергнуты испытаниям в потоке нагретого с помощью высокочастотного нагревателя газа воздуха при следующих характеристиках его воздействия: скорость потока 90 и 95 м/с, энтальпия потока 5900 и 6200 кДж, температура заторможенного потока 3200 и 3350^oC, коэффициент тепломассообмена a/Cp 0,62 и 0,66 кг/(м²с), расстояние до испытуемого образца от среза сопла 60 и 75 мм, тепловой поток в горячую стенку 2420 и 2680 кВт/м², температура в центре температурного пятна воздействия потока на образце в течение цикла испытаний 1780^oC и 1710^oC. Первые цифры вышеназванных характеристик относятся к 1-му циклу испытаний, вторые ко 2-му. Время выдержки при 1780^oC составило 53 с, при 1710^oC 36 с.

Образцы выдержали испытания без разрушения. Аналогичные образцы без шликерного покрытия разрушались полностью.

Формула изобретения

1. Способ защиты жаропрочных материалов от воздействия агрессивных сред высокоскоростных газовых потоков, включающий нанесение на поверхность слоя, содержащего титан, кремний, и последующую термообработку, отличающийся тем, что наносят слой, дополнительно содержащий молибден, хром, иттрий, бор, один или несколько элементов VIII группы при следующем соотношении компонентов, мас.

Титан 15 40
Молибден 5 30
Иттрий 0,1 1,5
Бор 0,5 2,5
Хром 0,2 6,0
Один или несколько элементов VIII группы 7 10
Кремний Остальное
а термообработку проводят при 1300 1600^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наносимый слой дополнительно содержит марганец в количестве 1,5 мас.

3. Способ защиты жаропрочных материалов от воздействия агрессивных высокоскоростных газовых потоков, включающий нанесение на поверхность слоя, содержащего титан, кремний, и последующую термообработку, отличающийся тем, что наносят слой, дополнительно содержащий молибден, иттрий, бор, при следующем соотношении компонентов, мас.

Титан 15 40
Молибден 5 30
Иттрий 0,1 1,5
Бор 0,5 2,5
Кремний Остальное
а термообработку проводят при 1300 1600^oС.