Многослойное тепловое барьерное покрытие подложки из сверхпрочного сплава и способ его нанесения - RU2127772C1
Код документа: RU2127772C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение касается теплового барьерного покрытия, применяемого на поверхности изделия из сверхпрочного сплава, например, турбинной лопатки газотурбинного двигателя и способа применения теплового барьерного покрытия.
Постоянная потребность в повышенной рабочей температуре в газотурбинных двигателях первоначально удовлетворялась воздушным охлаждением турбинных лопаток и разработкой сверхпрочных сплавов для изготовления турбинных лопаток и турбинных лопастей, обе эти характеристики продлевали их срок службы. Дальнейшие повышения температуры привели к необходимости разработки материалов керамического покрытия для изолирования с их помощью турбинных лопаток и турбинных лопастей от тепла, содержащегося в газах, выпускаемых из камер сгорания, вновь продлевая срок службы лопаток турбин и лопастей турбин. Однако величина продления срока службы была ограничена, поскольку керамические покрытия страдают из-за недостаточного прилипания к подложке из сверхпрочного сплава. Одной причиной этого является несоответствие коэффициентов теплового расширения между подложкой из сверхпрочного сплава и керамическим покрытием. Прилипание покрытия было улучшено с помощью разработки различных типов связующих покрытий содержащих алюминий сплавов, которые термически напыляют или вносят другим способом на подложке из сверхпрочного сплава до применения керамического покрытия. Такие связующие покрытия обычно бывают так называемого алюминидного (диффузионного) типа или типа MCrAlY, где M означает один или более компонентов кобальта, железа или никеля.
Использование связующих покрытий является успешным в предотвращении обширного отслаивания тепловых барьерных покрытий в течение службы, но локализованное отслаивание керамического покрытия все еще проходит там, где прилипание нарушается между связующим покрытием и керамическим покрытием. Это подвергает связующее покрытие полному нагреванию от выхлопных газов, что ведет к преждевременному разрушению турбинной лопатки и турбинной лопасти.
В изобретении стремятся обеспечить новое связующее покрытие для теплового барьерного покрытия, которое менее склонно к локализованному разрушению и более пригодно для длительной адгезии с подложкой из сверхпрочного сплава.
В изобретении стремятся обеспечить способ нанесения теплового барьерного покрытия на подложку из сверхпрочного сплава так, чтобы достигнуть улучшенной адгезии с ней.
В соответствии с этим настоящее изобретение обеспечивает многослойное тепловое барьерное покрытие для подложки из сверхпрочного сплава, содержащее слой из сверхпрочного сплава, обогащенного металлом платиновой группы, связующее покрытие из содержащего алюминий сплава на слое из обогащенного металлом платиновой группы сверхпрочного сплава, слой содержащего алюминий обогащенного металлом платиновой группы сплава на связующем покрытии из содержащего алюминий сплава, покрытие из по меньшей мере одного алюминида металлов платиновой группы на слое из содержащего алюминий обогащенного металлом платиновой группы сплава, оксидный слой на покрытии по меньшей мере одного алюминида металла платиновой группы и керамическое тепловое барьерное покрытие на оксидном слое.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает простой способ нанесения многослойного теплового барьерного покрытия на подложку из сверхпрочного сплава, содержащий этапы: нанесения слоя металла платиновой группы на подложку из сверхпрочного сплава, термической обработки изделия из сверхпрочного сплава с целью диффундирования металла платиновой группы в подложку из сверхпрочного сплава для создания на поверхности подложки из сверхпрочного сплава слоя сверхпрочного сплава, обогащенного металлом платиновой группы, нанесения связующего покрытия из содержащего алюминий сплава на слой из сверхпрочного сплава, обогащенного металлом платиновой группы, нанесения слоя металла платиновой группы на связующее покрытие из содержащего алюминий сплава, термической обработки изделия из сверхпрочного сплава с целью диффундирования металла платиновой группы в связующее покрытие из содержащего алюминий сплава для создания слоя из содержащего алюминий сплава, обогащенного металлом платиновой группы, и покрытия из по меньшей мере одного алюминида металлов платиновой группы, образующего слой оксида по меньшей мере на одном алюминиде металлов платиновой группы, и нанесения керамического теплового барьерного покрытия на оксидный слой.
Преимущество по сравнению с существующими покрытиями заключается в том, что покрытие по меньшей мере одного алюминида металлов платиновой группы способствует созданию оксидного слоя, содержащего по меньшей мере 70% по объему окиси алюминия, предпочтительно по меньшей мере 90% по объему окиси алюминия, более предпочтительно 95% по объему окиси алюминия. Предполагают, что настоящее изобретение дает возможность создавать оксидный слой, содержащий окись алюминия без других шпинелей в количествах, достаточных для существенного разрушения структуры кристаллической решетки окиси алюминия. Полагают, что слой обогащенного металлом платиновой группы сверхпрочного сплава на подложке из сверхпрочного сплава снижает перемещение алюминия из связующего покрытия из содержащего алюминий сплава в подложку из сверхпрочного сплава, а также снижает перемещение разрушающих элементов из подложки из сверхпрочного сплава в оксидный слой. Полагают, что путем снижения перемещения алюминия из содержащего алюминий сплава в подложку из сверхпрочного сплава количество алюминия в связующем покрытии содержащего алюминий сплава удерживается на сравнительно высоком уровне для гарантии, что окись алюминия непрерывно образуется по керамическим тепловым барьерным покрытием в течение более длительного времени. Полагают, что покрытие по меньшей мере из одного алюминида металлов платиновой группы блокирует перемещение разрушающих элементов от подложки из сверхпрочного сплава и связующего покрытия из содержащего алюминий сплава в оксидный слой.
Для целей настоящих технических условий шпинель определяется как оксид, имеющий общую формулу M2O3, где M обозначает переходный металл.
Для создания обогащенного платиной слоя сверхпрочного сплава на поверхности подложки из сверхпрочного сплава толщина слоя платины при нанесении ее до диффузии предпочтительно составляет по меньшей мере 5 мкм, и более предпочтительно - 8 мкм.
Диффузионная обработка предпочтительно осуществляется приблизительно в течение 1 ч при 800 - 1200oC, предпочтительно 1000 - 1100oC, в зависимости от состава подложки из сверхпрочного сплава.
Связующее покрытие из содержащего алюминий сплава может быт алюминидом никеля или кобальта, но предпочтительно является сплавом MCrAlY, где M представляет по меньшей мере один элемент из Ni, Co и Fe. Содержание алюминия в связующем покрытии зависит от типа сплава связующего покрытия, выбираемого для использования с данным изобретением, составляет минимум 5% по весу для связующего покрытия из сплава MCrAlY и максимум порядка 40% по весу для связующего покрытия из алюминида.
В законченном изделии наружный слой связующего покрытия предпочтительно обогащается платиной, и в этом случае покрытие алюминидной поверхности преобладающим образом содержит алюминид платины.
Мы полагаем, что такое поверхностное покрытие из алюминида платины содержит по меньшей мере 25% по весу платины, предпочтительно по меньшей мере 40% по весу, и оптимально по меньшей мере 50% по весу платины, с уровнями алюминия по меньшей мере 8% по весу, предпочтительно по меньшей мере 10% по весу.
Для образования слоя обогащенного платиной содержащего алюминий сплава с поверхностным покрытием из алюминида, преимущественно содержащего алюминид платины, толщина слоя платины при нанесении до диффузии предпочтительно составляет по меньшей мере 5 мкм, и более предпочтительно 8 мкм.
Диффузионную термообработку предпочтительно осуществляют примерно в течение 1 ч при 1000 - 1200oC, предпочтительно 1100 - 1200oC, в зависимости от состава подложки из сверхпрочного сплава.
После очистки каких-либо диффузионных остатков с поверхности связующего покрытия платинированного слоя алюминия изделие принимает его тонкий прилипший слой оксида и его керамическое тепловое барьерное покрытие.
Толщина оксидного слоя, создаваемого с помощью вышеупомянутого процесса, предпочтительно меньше одного микрона. Тонкий прилипший слой оксида предпочтительно образуют путем нагревания покрытия из алюминида металла платиновой группы в атмосфере, содержащей кислород.
Обычно для создания тонкого прилипшего оксидного слоя мы предпочитаем использовать физическое осаждение из паровой фазы электронным лучом (ФОПФЭЛ) для нанесения керамического теплового барьерного покрытия. В предпочтительном процессе ФОПФЭЛ изделие нагревают предварительно до температуры в диапазоне 900 - 1150oC в вакууме, например, при давлении порядка 10-5 торр (133,332 • 10-5 Па). Предпочтительная температура предварительного нагрева составляет примерно 1000oC.
Процесс ФОПФЭЛ керамического теплового барьерного покрытия с использованием диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, или другой оксидной керамики, содержит выпаривание керамики электронным лучом и последующее освобождение кислорода посредством распада керамики. Мы также предпочитаем сознательно добавлять кислород в камеру покрытия на этом этапе с целью поддержания стехиометрического преобразования керамики на покрытом изделии. Следовательно, в нашем предпочтительном процессе кислород неизбежно присутствует в атмосфере камеры покрытия во время процесса покрытия с помощью ФОПФЭЛ и реагирует с предпочтительным платиновым алюминидным поверхностным покрытием, образуя упомянутый выше тонкий прилипший оксидный слой.
Настоящее изобретение будет раскрыто более полно с помощью примера со ссылкой на
прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет схематический вид в поперечном разрезе металлического изделия, имеющего нанесенное на него известное тепловое барьерное покрытие.
Фиг. 2 представляет схематический вид в поперечном разрезе металлического изделия, имеющего нанесенное на него известное тепловое барьерное покрытие.
Фиг. 3 представляет схематический вид в поперечном разрезе металлического изделия, имеющего соответствующее настоящему изобретению тепловое барьерное покрытие.
Рассмотрим фиг 1, иллюстрирующую состояние техники, на которой показана часть изделия 10 из сверхпрочного сплава, снабженная многослойным тепловым барьерным покрытием, обозначенным в общем ссылочной позицией 12. Они показаны в виде изготовленного состояния. Тепловое барьерное покрытие 12 содержит связующее покрытие 14 из сплава MCrAlY, тонкий оксидный слой 16 и тепловое барьерное покрытие 18 из столбчатой зернистой керамики. Связующее покрытие 14 из сплава MCrAlY наносят с помощью плазменного напыления и диффузионной термообработки. Тепловое барьерное покрытие 18 из столбчатой зернистой керамики содержит диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, или другую подходящую керамику, наносимую с помощью осаждения из паровой фазы электронным лучом. Тонкий оксидный слой 16 содержит смесь окиси алюминия, окиси хрома и других шпинелей.
Рассмотрим фиг. 2, иллюстрирующую состояние техники, описанной в нашей находящейся в процессе одновременного рассмотрения европейский заявке на патент 95308925.7, зарегистрированной 8 декабря 1995 года, здесь показана часть изделия из сверхпрочного сплава 20, снабженного многослойным тепловым барьерным покрытием, обозначенным в общем ссылочной позицией 22. Она показана в виде изготовленного состояния. Тепловое барьерное покрытие 22 содержит связующее покрытие 24 из сплава MCrAlY, слой 26 из сплава MCrAlY, обогащенного платиной, на связующем покрытии 24 из сплава MCrAlY, платиновое алюмидное покрытие 28 на слое 26 из обогащенного платиной сплава MCrAlY, слой 30 обогащенной платиной гамма-фазы на покрытии 28 из алюминида платины, тонкий оксидный слой 32 из обогащенной платиной гамма-фазе 30 и тепловое барьерное покрытие из столбчатой зернистой керамики.
Связующее покрытие 24 из сплава MCrAlY наносят путем плазменного напыления и подвергают диффузионной термообработке. Тепловое барьерное покрытие 34 из столбчатой зернистой керамики содержит стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония или другую подходящую керамику, наносимую путем физического осаждения из паровой фазы электронным лучом. Тонкий оксидный слой 32 состоит полностью или почти полностью из окиси алюминия, с гораздо меньшими или пренебрежимо малыми количествами других шпинелей. Толщина слоя окиси алюминия 32 менее одного микрона.
Платину наносят по существу с равномерной толщиной на связующее покрытие из MCrAlY путем гальванопокрытия или другим подходящим способом, толщина которого равна по меньшей мере 5 мкм, и предпочтительно порядка 8 мкм. После этого выполняют этап диффузионной термообработки, чтобы вызвать диффундирование слоя платины в связующее покрытие из сплава MCrAlY. Это обеспечивает слой обогащенного платиной сплава MCrAlY и покрытие из алюминида платины. Диффузия достигается благодаря нагреванию изделия до 1000 - 1200oC и выдерживанию при этой температуре в течение подходящего периода времени, в частности, температура 1150oC в течение 1 ч представляет подходящий цикл диффузионной термообработки.
После термообработки поверхность подвергают пескоструйной обработке сухим порошком окиси алюминия для удаления каких-либо диффузионных остатков. Затем наносят керамическое барьерное покрытие с помощью ФОПФЭЛ с целью образования тонкого оксидного слоя на покрытии из алюминида платины со слоем обогащенной платиной гаммы-фазы между ними.
Проведем анализ теплового барьерного покрытия 12, описанного со ссылкой на фиг.1, и теплового барьерного покрытия 22, описанного со ссылкой на фиг. 2. Обнаружили, что тепловое барьерное покрытие 12 имеет критическую нагрузку, за пределами которой керамика может отрываться от связующего покрытия, равную примерно 55 Н в условиях после изготовления, и порядка 5 Н после выдерживания при 1150oC в течение 100 ч. Также обнаружили, что тепловое барьерное покрытие 22 имеет критическую нагрузку, за пределами которой керамика может отслаиваться от связующего покрытия, примерно равную 100 Н в условиях после изготовления, и порядка 50 Н после выдерживания при 1150oC в течение 100 ч. (смотрите нашу находящуюся в процессе одновременного рассмотрения европейскую заявку на патент под номером 95308925.7, зарегистрированную 8 декабря 1995 г.).
Можно заметить, что показанное на фиг.2 тепловое барьерное покрытие 22 дает существенное улучшение в отношении длительного сцепления с тепловым барьерным покрытием, показанным на фиг.1. Тепловое барьерное покрытие 22 на фиг. 2 имеет сплошное покрытие 28 из алюминида платины, которое, полагают, блокирует перемешение переходных металлических элементов, например, титана, тантала и гафния, из связующего покрытия MCrAlY 24 и подложки 20 из сверхпрочного сплава в оксидный слой 32, и гарантирует, что образованный оксидный слой является очень чистым оксидом алюминия.
К сожалению нашли, что длительное сцепление теплового барьерного покрытия 22 в этом случае диктуется потерей алюминия из связующего покрытия 24 сплава MCrAlY и сплава 26 обогащенного платиной сплава MCrAlY в подложку 20 из сверхпрочного сплава. Полагают, что при непрерывной работе теплового барьерного покрытия 22 при высоких температурах в течение длительных периодов времени, находящийся в MCrAlY алюминий диффундирует в подложку 20 из сверхпрочного сплава. Окись алюминия в оксидном слое 32 непрерывно расходуется и замещается окисью алюминия, образующейся путем окисления алюминия, диффундирующего из покрытия 28 алюминида платины, слоя обогащенного платиной MCrAlY и связующего покрытия 26 сплава MCrAlY в область раздела с керамическим тепловым барьерным покрытием 34. Таким образом, полагают, что потери алюминия из связующего покрытия 26 сплава MCrAlY и слоя 28 обогащенного платиной сплава MCrAlY в подложку 20 из сверхпрочного сплава снижает уровень алюминия, доступного для образования окиси алюминия в оксидном слое 32, и снижает уровень, требуемый для поддержания его образования с целью замещения окиси алюминия, расходуемой при эксплуатации.
Рассмотрим фиг. 3, иллюстрирующую настоящее изобретение: здесь показана часть изделия 40 из сверхпрочного сплава, снабженного многослойным тепловым барьерным покрытием, обозначенным в общем ссылочной позицией 42. Оно показано в изготовленном состоянии. Тепловое барьерное покрытие 42 содержит обогащенный платиной слой 44, который содержит обогащенную платиной гамма-фазу и обогащенную платиной первичную гамма-фазу на поверхности подложки из сверхпрочного сплава, связующее покрытие 46 сплава MCrAlY на слое 44, слой 48 обогащенного платиной сплава MCrAlY на связующем покрытии 46 сплава MCrAlY, покрытие 50 из алюминида платины на слое 48 обогащенного платиной сплава MCrAlY, слой 52 обогащенной платиной гамма-фазы на покрытии 50 из алюминида платины, тонкий оксидный слой 54 на обогащенной платиной гамма-фазе 52 и керамическое тепловое барьерное покрытие 56 из столбчатой зернистой керамики. Покрытие из алюминида платины 50 представляет собой специальную форму алюминида платины и имеет состав, например, 53% по весу Pt, 19,5% по весу Ni, 12% по весу Al, 8,7% по весу Co, 4,9% по весу Cr, 0,9% по весу Zr, 0,6% по весу Та, 0, 1% по весу О и 0,04% по весу Ti, как это описывается более полно нашей находящейся в процессе одновременного рассмотрения заявке на патент с регистрационным номером 95308925.7.
Платину наносят, по существу, равномерной толщиной на подложку из сверхпрочного сплава с помощью гальванопокрытия или другим подходящим способом, где толщина равна по меньшей мере 5 мкм, предпочтительно порядка 8 мкм. После этого выполняют этап диффузионной термообработки, чтобы вызвать диффундирование слоя платины в подложку из сверхпрочного сплава. Это обеспечивает слой обогащенной платиной гамма-фазы и слой обогащенной платиной первичной гамма-фазы на подложке из сверхпрочного сплава. Диффузия достигается благодаря нагреванию изделия до 800 - 1200o и выдерживанию при этой температуре в течение подходящего периода времени, в частности температура 1000oC в течение 1 ч представляет подходящий цикл диффузионной термообработки, из-за дальнейших циклов термообработки, которые вызывают дополнительную диффузию слоя обогащенной платиной гамма-фазы и слоя обогащенной платиной первичной гамма-фазы.
Связующее покрытие 46 сплава MCrAlY наносят с помощью плазменного напыления и подвергают диффузионной термообработке. Тепловое барьерное покрытие 56 из столбчатой зернистой керамики содержит стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония или другую подходящую керамику, наносимую методом осаждения из паровой фазы электронным лучом. Тонкий оксидный слой 54 состоит целиком или почти целиком из окиси алюминия со значительно меньшими или пренебрежительно малыми количествами других шпинелей. Толщина слоя окиси алюминия 54 составляет менее 1 мкм.
Платину наносят по существу равномерной толщиной на связующее покрытие MCrAlY с помощью гальванопокрытия или другого подходящего способа, где толщина составляет по меньшей мере 5 мкм, и предпочтительно порядка 8 мкм. После этого выполняют этап диффузионной термообработки, чтобы вызвать диффундирование слоя платины в связующее покрытие сплава MCrAlY. Это обеспечивает слой обогащенного платиной сплава MCrAlY и покрытие из алюминида платины. Диффундирование достигается с помощью нагревания изделия до 1000 - 1200oC и выдерживания при этой температуре в течение подходящего периода времени, предпочтительно путем нагревания изделия до 1100 - 1200o, в частности 1150o в течение 1 ч представляет подходящий цикл диффузионной термообработки.
После термообработки поверхность подвергают пескоструйной обработке сухим порошком окиси алюминия для удаления каких-либо диффузионных остатков. Затем наносят керамическое тепловое барьерное покрытие с помощью ФОПФЭЛ, с целью образования тонкого оксидного слоя на покрытии из алюминида платины со слоем обогащенной платиной гамма-фазы между ними.
Обогащенный платиной слой 44, содержащий обогащенную платиной гамма-фазу и обогащенную платиной первичную гамма-фазу, образует слой, который снижает перемещение алюминия из связующего покрытия 46 сплава MCrAlY и слоя 48 обогащенной платиной сплава MCrAlY в подложку сверхпрочного сплава, с целью сохранения уровней алюминия в связующем покрытии 46 сплава MCrAlY и слое 48 обогащенного платиной сплава MCrAlY в течение более длительных периодов времени для дополнительного улучшения длительного сцепления теплового барьерного покрытия. Дополнительное преимущество обогащенного платиной слоя 44 заключается в том, что он снижает перемещение элементов переходных металлов из подложки из сверхпрочного сплава в оксидный слой 54 для обеспечения дополнительной защиты от вредных элементов переходных металлов, например, титана, тантала и гафния, для оксидного слоя 54, с целью сохранения крайне чистого оксидного слоя 54 из окиси алюминия.
Сплав MCrAlY предпочтительно наносят с помощью плазменного напыления в вакууме, хотя можно использовать другие подходящие способы, такие как осаждение из паровой фазы. Если используется плазменное напыление в вакууме, MCrAlY можно полировать для улучшения прилипания керамического теплового барьерного покрытия.
Платину также можно наносить путем напыления, диффузии в упаковке, диффузии вне упаковки, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы. Вместо платины можно использовать другие металлы платиновой группы, например, палладий, родий и так далее, но платина является предпочтительной.
Может оказаться возможным осаждать керамическое тепловое барьерное покрытие путем плазменного напыления, плазменного напыления в вакууме, химического осаждения из паровой фазы, химического осаждения из паровой фазы при горении или, предпочтительно, физического осаждения из паровой фазы. Процессы физического осаждения из паровой фазы включают в себя напыление, но предпочитается физическое осаждение из паровой фазы электронным лучом.
Можно использовать другие покрытия содержащих алюминий связующих сплавов, отличающиеся от MCrAlY, например, алюминид кобальта или алюминид никеля.
Для обеспечения тепловой защиты изделия тепловое барьерное покрытие можно наносить на всю поверхность изделия или на заранее определенные области поверхности изделия. Например, тепловым барьерным покрытием можно покрыть всю аэродинамическую поверхность лопатки газовой турбины или, в качестве альтернативы, можно покрывать только переднюю кромку аэродинамической поверхности лопатки газовой турбины.
Реферат
Многослойное тепловое барьерное покрытие (42) изделия (40) из сверхпрочного сплава содержит слой (44) обогащенного платиной сверхпрочного сплава, связующее покрытие (46) из MCrAlY на слое (44), слой (48) обогащенного платиной MCrAlY на связующем покрытии (46) из MCrAlY, покрытие (50) из алюминида платины на слое (48), обогащенного платиной MCrAlY, оксидный слой (54) на покрытии (50) из алюминида платины и керамическое тепловое барьерное покрытие (56) на оксидном слое (54). Задачей изобретения является обеспечение длительной адгезии покрытия с подложкой из сверхпрочного сплава. Задача решается тем, что покрытие (50) из алюминида платины и слой (48) из обогащенного платиной слоя MCrAlY снижают перемещение переходных металлов из подложки (40) из сверхпрочного сплава и связующего покрытия (46) в оксидный слой (54), так что оксидный слой представляет собой очень чистую окись алюминия. Слой (44) снижает перемещение алюминия из связующего покрытия (46) в подложку, так что оксидный слой (54) сохраняет чистую окись алюминия, что и обеспечивает длительную адгезию теплового барьерного покрытия. 2 с. и 24 з. п.ф-лы, 3 ил.
