Способ получения защитного покрытия на сплавах
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано для повышения долговечности высокотемпературных деталей газовых турбин, подверженных сульфидно-оксидной коррозии. Предложен способ получения защитного покрытия на сплавах. Вакуумно-плазменным напылением при 600-650С наносят слой сплава на основе никеля, содержащего в мас.%: хром 13-15; алюминий 7-9; тантал 4-6; иттрий 0,4-0,6; вольфрам 3-4; кремний 0,5-0,8; гафний 1,4-1,8; никель остальное. Затем при 1070-1110С в течение 1-5 часов в аргоне проводят хромоалитирование в порошковой смеси, содержащей в мас.%: хром 39-45; алюминий 3,9-4,5; хлористый аммоний 0,3-0,4; оксид алюминия - остальное. Осуществляют термовакуумную обработку путем стабилизирующего отжига в вакууме при 1070-1100С в течение 3-6 часов. Техническим результатом является повышение стойкости к сульфидно-оксидной коррозии. 2 з.п.ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к разделу химико-термической обработки металлов и сплавов, и может быть использовано для повышения долговечности высокотемпературных деталей газовых турбин, подверженных сульфидно-оксидной коррозии.Известен способ получения защитного покрытия на сплавах, включающий нанесение вакуумно-плазменным напылением при температуре 900С в течение 2-3 часов 20 минут слоя сплава на основе никеля, содержащего хром, алюминий, тантал и иттрий, хромоалитирование диффузионным методом в порошковой смеси, содержащей хром, алюминий и хлористый аммоний, и последующую термовакуумную обработку, заключающуюся в закалке в вакууме при температуре 1160-1200С в течение 1-2 часов с последующим отпуском в вакууме при температуре 900-1000С в течение 1-2 часов [1].Недостатком известного способа является недостаточная стойкость получаемого защитного покрытия к сульфидной коррозии. Кроме того, ввиду большой концентрации хрома покрытие обладает большой толщиной, которая снижает его термостойкость и жаропрочность.Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение стойкости защитного покрытия к сульфидной коррозии, а также повышение его жаропрочности и термостойкости путем подбора химического состава напыляемого подслоя на основе никеля, а также повышение долговечности покрытия в условиях воздействия агрессивной среды путем подбора оптимальных концентраций легирующих элементов.Технический результат достигается тем, что в способе получения защитного покрытия на сплавах, включающем нанесение вакуумно-плазменным напылением слоя сплава на основе никеля, содержащего хром, алюминий, тантал и иттрий, хромоалитирование в порошковой смеси, содержащей хром, алюминий и хлористый аммоний, и последующую термовакуумную обработку, слой наносят при температуре 600-650С в течение 2 часов, а напыляемый сплав дополнительно содержит вольфрам, кремний и гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 13-15, алюминий 7-9, тантал 4-6, иттрий 0,4-0,6, вольфрам 3-4, кремний 0,5-0,8, гафний 1,4-1,8, никель - остальное, хромоалитирование проводят при температуре 1070-1110С в течение 1-5 часов в среде аргона в порошковой смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 39-45, алюминий 3,9-4,5, хлористый аммоний 0,3-0,4, оксид алюминия - остальное, а термовакуумную обработку осуществляют путем стабилизирующего отжига в вакууме при температуре 1070-1100С в течение 3-6 часов.Кроме того, для сплавов типа ЦНК после стабилизирующего отжига в вакууме осуществляют старение при температуре 840±10С в течение 13-18 часов с последующим охлаждением на воздухе.Как показали лабораторные исследования защитных покрытий, сформированных предлагаемым способом, по сравнению с известным [1] число циклов до разрушения покрытия в одних и тех же условиях при испытании на термостойкость увеличивается на (61%), удельный привес покрытий в условиях высокотемпературного окисления снижается на (44%), удельный привес в условиях воздействия агрессивного осадка (морская соль + Na2SO4) снижается на (38%).В заявленном техническом решении предлагается формирование комбинированного покрытия с легированным подслоем. Тонкий слой подслоя наносят на поверхность детали перед хромоалитированием в среде аргона. Толщина подслоя составляет 36-44 мкм. Для повышения стойкости к сульфидной коррозии, а также жаростойкости, термостойкости и прочности покрытие легируют кремнием, вольфрамом, гафнием. В состав подслоя входит также хром, алюминий, тантал, иттрий, но совсем в других концентрациях, чем в известном [1], что позволяет получать защитный слой, обладающий более высокими эксплуатационными свойствами.Проведение хромоалитирования в защитной среде аргона является более целесообразньм и экономически выгодным по сравнению с хромоалитированием в вакууме. Кроме того, последней стадией формирования покрытия является термическая обработка, включающая стабилизационный отжиг и старение и обеспечивающая придание покрытию высоких показателей прочности, пластичности, вязкости и термостойкости.Состав подслоя выбран исходя из следующих соображений. Алюминия в подслое должно быть не менее семи процентов для обеспечения формирования '-фазы определенного состава. Если содержание алюминия превышает 9%, то наблюдается ухудшение адгезии покрытия к поверхности деталей, повышается концентрация дефектов в первом слое, которые переходят во второй слой покрытия при последующей обработке, ухудшается технологичность, снижаются характеристики пластичности покрытия.Вольфрам обеспечивает дополнительное повышение жаропрочности покрытия за счет увеличения прочности основных его фазовых составляющих и '-фаз. При высоких концентрациях вольфрама более 4% наблюдается некоторое снижение сопротивляемости покрытия высокотемпературному окислению и повышение хрупкости внутренней зоны слоя, поэтому концентрация вольфрама (3-4%) выбрана в сравнительно узком интервале, обеспечивающем сохранение оптимальных характеристик покрытия, необходимых для достижения указанной цели.Добавки в покрытие элементов, имеющих высокую активность к кислороду, а именно иттрия, гафния и кремния, предназначены для комплексного воздействия на адгезию оксидной пленки на покрытии при изотермическом и циклическом окислении, а также при воздействии агрессивных сред во время сульфидной коррозии. Окисляясь в первую очередь с образованием оксидов иттрия, гафния и кремния, а также их возможных соединений, указанные микролегирующие элементы пришпиливают оксидную пленку на основе Аl2О3 к поверхности покрытия и препятствуют ее скалыванию с поверхности деталей при воздействии на них теплосмен. Тантал и вольфрам обеспечивают упрочнение покрытия при высоких температурах. При указанной совокупности элементов концентрация тантала (4-6%) улучшает жаропрочность защитного слоя, что позволяет заметно улучшить как механические свойства внутренней зоны слоя покрытия, так и ее сопротивление высокотемпературному окислению, обеспечивая более высокую долговечность покрытия при работе в составе изделия.Существенно введение в состав первого слоя кремния, гафния и иттрия в плане предотвращения растрескивания защитного слоя. Эффект положительного воздействия добавок данных элементов на адгезию оксидной пленки обусловлен связыванием примесей серы в тугоплавкие сульфиды, в частности иттрия, гафния, которые предотвращают образование полостей, наполненных газообразными оксидами серы, вызывающими откалывание оксидной пленки при окислении. При концентрации добавок иттрия менее 0,4%, гафния менее 1,4%, кремния менее 0,5% заметного стабильного положительного эффекта не наблюдается. В свою очередь, концентрации иттрия более 0,6%, гафния более 1,8%, кремния свыше 0,8% нецелесообразны, поскольку наблюдается эффект снижения сопротивления циклическому окислению.Никель обеспечивает образование металлических соединений NiAl и Ni3Аl в слое покрытия и является его основой.Основное назначение хрома в системе состоит в обеспечении высокой стойкости к сульфидной коррозии за счет формирования оксидной пленки с высоким содержанием защитного оксида хрома.Алюминий в первом слое покрытия предназначен для образования легированной '-фазы, которая упрочняет слой и повышает его пластические свойства.На фиг.1 представлена структура комбинированного покрытия [подслой NiCrAlWTaSiHfY(c толщиной =40±5 мкм) + хромоалитирование (в аргоне) + стабилизирующий отжиг] на детали из сплава ЖС-32.На фиг.2 представлена структура комбинированного покрытия [подслой NiCrAlWTaSiHfY(=40±5 мкм) + хромоалитирование (в аргоне)+ стабилизирующий отжиг] на детали из сплава ЖС32 после испытания с нанесенным агрессивным осадком (морская соль + Na2SO4) при 850С в течение 50 часов.На фиг.3 представлена структура известного покрытия [1] [подслой NiСrТаАlY(=60±5 мкм) + хромоалитирование + термовакуумная обработка] на детали из сплава ЖС32 после его испытания с нанесенным агрессивным осадком (морская соль + Na2SO4) при 850С в течение 50 часов.В таблице 1 представлен химический состав сплавов, на которые наносили покрытие.В таблице 2 представлены результаты испытаний свойств покрытий на стойкость к сульфидной коррозии и на жаростойкость.Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в следующем.Для получения покрытия было изготовлено три состава для первого слоя покрытия, в % по массе:1. Хром 13, алюминий 7, тантал 4, иттрий 0,4, вольфрам 3, кремний 0,5, гафний 1,4, никель - остальное.2. Хром 14, алюминий 8, тантал 5, иттрий 0,5, вольфрам 4, кремний 0,6, гафний 1,6, никель - остальное.3. Хром 15, алюминий 9, тантал 6, иттрий 0,6, вольфрам 5, кремний 0,8, гафний 1,8, никель - остальное.Из таблицы 1 видно, что более легирован сплав ЖС32, и соответственно он намного дороже сплава ЦНК-8М. При этом предлагаемый способ обеспечивает формирование защитного покрытия, обладающего высокой стойкостью, как на сплаве ЖС32, так и на совсем недорогом сплаве ЦНК-8М, что весьма актуально в наше время.Детали из сплавов ЦНК-8М, ЖС32 нагревали в вакууме до температуры 600С и наносили методом вакуумплазменной технологии высоких энергий первые слои покрытия из слитка, имеющего соответствующий состав покрытия 1,2 и 3. Толщина первого слоя покрытия составляла 36-44 мкм.Как видно из фиг.1, структура представленного на ней защитного покрытия состоит из внутренней и наружной зоны. Внутренняя зона формируется методом вакуум-плазменной технологии высоких энергий, по структуре состоит из легированного '-раствора на никелевой основе и легированных частиц и '-фаз. Внутренняя зона отличается высокой плотностью, не содержит неметаллических включений в матрице и на границе перехода напыленного слоя к подложке. На втором этапе диффузионным методом в защитной среде аргона в процессе хромоалитирования происходит насыщение защитного слоя алюминием и хромом. Тем самым формируется наружная зона покрытия, состоящая из матрицы -фазы и легированных частиц '-фазы. Наружная зона покрытия характеризуется еще большей плотностью, так как формируется диффузионным методом и не содержит неметаллических включений.Испытания образцов с предлагаемым защитным покрытием на стойкость к сульфидной коррозии проводились при температуре 850С в течение 50 часов с агрессивным осадком (морская соль + Na2SO4). Количество агрессивного осадка на испытываемых образцах с покрытиями - 5-6 мг/см2. Из представленной на фиг.2 структуры видно, что поражение наружной зоны покрытия составляет всего лишь 6-8 мкм при общей толщине слоя 55±5 мкм. В тех же условиях проводились испытания на сульфидную коррозию и образцов с защитным покрытием, известным из [1]. Как видно из фиг.3, сульфидная коррозия поразила представленное покрытие на глубину до 50±5 мкм при суммарной толщине покрытия 100±10 мкм.Как видно из вышеизложенного, заявленный способ получения защитного покрытия на сплавах позволяет получить комбинированное покрытие, обладающее более высокой стойкостью к сульфидно-оксидной коррозии, чем ранее известные покрытия.Источники информации1. Патент РФ № 2073742, МПК 6 С 23 С 4/08, 1984.Формула изобретения
1. Способ получения защитного покрытия на сплавах, включающий нанесение вакуумно-плазменным напылением слоя сплава на основе никеля, хромоалитирование в порошковой смеси на основе оксида алюминия и последующую термовакуумную обработку, отличающийся тем, что вакуумно-плазменное напыление проводят при температуре 600-650С, при этом напыляемый сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:Хром 13-15Алюминий 7-9Тантал 4-6Иттрий 0,4-0,6Вольфрам 3-4Кремний 0,5-0,8Гафний 1,4-1,8Никель Остальноехромоалитирование проводят при температуре 1070-1110С в течение 1-5 ч в среде аргона в порошковой смеси, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:Хром 39-45Алюминий 3,9-4,5Хлористый аммоний 0,3-0,4Оксид алюминия Остальноеа термовакуумную обработку осуществляют путем стабилизирующего отжига в вакууме при температуре 1070-1100С в течение 3-6 ч.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при получении покрытия на сплавах типа ЦНК после стабилизирующего отжига в вакууме осуществляют старение при температуре (840±10)С в течение 13-18 ч с последующим охлаждением на воздухе.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумно-плазменное напыление проводят в течение 2 ч.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3