Высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для нанесения уплотнительных покрытий на детали газотурбинных двигателей.

Известен уплотнительный материал на основе никеля, содержащий железо, хром, алюминий, иттрий. Уровень прочностных и антифрикционных свойств материала регулируют пористостью и применением наполнителей - твердых смазок (В.Ф.Лыкова и др. Порошковые композиции на основе железа и никеля для уплотнений газовых турбин / Процессы и материалы порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1985, с. 45-51).

Однако материал получается хрупким, что приводит к его недостаточной стойкости в условиях термоциклирования, обладает высокой твердостью и интенсивно изнашивает контртело.

Наиболее близким по технической сущности является высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия, содержащий 30-40 мас.% никелевого сплава; 40-50 мас.% двуокиси циркония; 3-8 мас.% высокотемпературного припоя; композит НП-4, содержащий интерметаллид никеля, нитрид бора, графит, фосфатное связующее - остальное (патент РФ №2133297, С23С 4/10, 1998).

При температурах выше 900°С в материале протекают процессы химического взаимодействия. Снижается количество твердой смазки (BN), пластичной компоненты (Ni) и увеличивается содержание твердых фаз (Ni₃С). Это приводит к снижению стойкости в условиях термоциклирования (появление трещин) и чрезмерному износу контртела.

Задача изобретения - повышение стойкости материала при работе в условиях термоциклирования и уменьшение износа контртела.

Поставленная цель достигается тем, что в высокотемпературном композиционном материале для уплотнительного покрытия, содержащем двуокись циркония, нитрид бора и нихром, используют двуокись циркония, стабилизированную 7% оксидом иттрия, фракции 100-250 мкм и активированной пылевидной фракции, нитрид бора фракции 450-630 мкм и нихром в виде волокна длиной 3-5 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Уплотнительные толстослойные керамические покрытия на металлах, как правило, отличаются низкой термической стойкостью ввиду того, что при нагреве на границе «основа - покрытие» возникают значительные термические напряжения. Низкая пластичность керамики не способствует релаксации этих напряжений, а ведет к образованию трещин на границе керамики с основой. Слабая адгезия керамического покрытия с металлической основой практически не препятствует распространению трещин на границе между ними.

Для получения керамических покрытий на основе двуокиси циркония, как правило, требуется высокая температура 1500-1700°С. Однако такие условия не приемлемы в тех случаях, когда керамика используется в комбинации с металлическими сплавами. Предельная температура нагрева жаропрочных сплавов на никелевой основе не должна превышать 1100°С, поскольку при более высоких температурах идет растворение упрочняющей фазы и разупрочнение сплава.

Для снижения температуры формирования керамического покрытия проводили активирование порошка двуокиси циркония, стабилизированного 7% оксидом иттрия, путем длительного его измельчения в шаровой мельнице при ограниченном содержании водной фазы.

Введение частиц нитрида бора повышает термическую стойкость керамического покрытия за счет их демпфирующей способности и существенно снижает коэффициент трения материала покрытия, улучшая его прирабатываемость.

Экспериментально установлено, что при длине нихромового волокна менее 3 мм снижается армирующая способность, а при длине нихромового волокна больше 5 мм не обеспечивается равномерное распределение нихромового волокна между армирующими элементами подложки. Полученные покрытия не отвечают требуемой термостойкости.

Пример реализации способа.

В шаровой мельнице измельчали порошок двуокиси циркония, стабилизированного 7% оксидом иттрия, в водной среде в течение 4-8 ч. Получали двуокись циркония активированной пылевидной фракции, в которую добавляли двуокись циркония, фракции 100-250 мкм, нитрид бора, фракции 450-630 мкм, нихромовое волокно, длина 3-5 мм. Состав тщательно перемешивали, доводили до влажности 28-32% и наносили на подготовленную поверхность металлической основы. Покрытие сушили и прессовали в вакууме при нагреве до 1100°С.

На никелевом сплаве ВЖ-98 были получены уплотнительные покрытия толщиной 2-3 мм. Проведены испытания термостойкости полученных покрытий в условиях термоциклирования. Режим термоциклирования: нагрев от 20 до 1000°С за 15 минут, охлаждение с 1000 до 20°С за 15 минут. Результаты испытаний представлены в таблице.

Высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия, содержащий двуокись циркония, нитрид бора и нихром, отличающийся тем, что он содержит двуокись циркония, стабилизированную 7% оксида иттрия, фракции 100-250 мкм и активированной пылевидной фракции, нитрид бора фракции 450-630 мкм и нихром в виде волокна длиной 3-5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: