RU2214475C2

RU2214475C2 - Method of applying coats

Info

Publication number: RU2214475C2
Application number: RU2001131859A
Authority: RU
Inventors: С.А. Мубояджян; Ю.И. Головкин; Л.П. Егорова; Н.Ф. Фурсова; А.Б. Варигин
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-10-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; manufacture of aircraft and power turbines; protection of parts working at high temperatures including large- sized parts of turbine hot passages. SUBSTANCE: proposed method includes preliminary treatment of surface of gas-turbine engine parts. Hat protective coat consists of three layers. First layer of nickel-based alloy is applied by gas thermal method. Second layer containing aluminum is applied by drossing method, after which layer is dried at temperature of 350 C for 30-60 min and vacuum diffusion annealing is performed. Surface of coat is treated by grinding powder. Third ceramic layer is applied by gas thermal method and is subjected to finishing by vibration polishing. Then, parts is subjected to vacuum heat treatment. EFFECT: increased service life of parts; low cost of process. 7 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в том числе для крупногабаритных деталей горячего тракта турбины (камеры сгорания, жаровые трубы и т.д.). The invention relates to mechanical engineering and can be used in aviation and power turbine engineering to protect parts operating at high temperatures, including for large-sized parts of a hot turbine path (combustion chambers, flame tubes, etc.).

Известен способ нанесения многослойных покрытий плазменным газотермическим методом, где в качестве первого слоя применяют покрытие системы Ni-Cr-Al-Y, а в качестве второго слоя - керамику [1]. A known method of applying multilayer coatings by a plasma gas-thermal method, where the Ni-Cr-Al-Y system coating is used as the first layer and ceramic is used as the second layer [1].

Покрытия, полученные по известному способу, имеют небольшой ресурс (не более 300 ч при температуре ≤1050^oС) из-за отслоения керамического слоя. Причиной отслоения является ускоренное окисление поверхности первого слоя и низкая прочность оксидной пленки, образующейся на границе металлического и керамического слоев покрытия.The coatings obtained by the known method have a small resource (not more than 300 hours at a temperature of ≤1050 ^o C) due to the delamination of the ceramic layer. The cause of exfoliation is the accelerated oxidation of the surface of the first layer and the low strength of the oxide film formed at the interface between the metal and ceramic layers of the coating.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ нанесения покрытия на лопатку турбины, включающий абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение жаростойкого покрытия состава, мас.%: хром 16-18, алюминий 11-13, кобальт 7-9, иттрий 0,25-0,5, никель - остальное, толщиной 15-30 мкм методом вакуумно-плазменной технологии высоких энергий, после чего тем же методом наносят второй слой толщиной 20-40 мкм, содержащий следующие компоненты, мас.%: никель 13-16, иттрий 1,5-1,8, алюминий - остальное, затем проводят диффузионный вакуумный отжиг, виброшлифование и обдувку шлифпорошком. Затем наносят третий керамический слой толщиной 70-100 мкм, проводят второй диффузионный вакуумный отжиг и последующий окислительный отжиг [2]. The closest analogue taken as a prototype is a method of coating a turbine blade, including abrasive-liquid treatment and grinding powder treatment, applying a heat-resistant coating composition, wt.%: Chromium 16-18, aluminum 11-13, cobalt 7-9, yttrium 0.25-0.5, nickel - the rest, with a thickness of 15-30 microns by the method of high-energy vacuum-plasma technology, after which the second layer with a thickness of 20-40 microns containing the following components, wt.%, Is applied by the same method, nickel 13- 16, yttrium 1.5-1.8, aluminum - the rest, then conduct diffusion vacuum from firing, vibration grinding and sanding with grinding powder. Then a third ceramic layer is applied with a thickness of 70-100 μm, a second diffusion vacuum annealing and subsequent oxidative annealing are carried out [2].

Известный способ не позволяет наносить покрытие на детали сложной конфигурации, а также крупногабаритные детали, имеющие затененные участки рабочей поверхности, так как методы нанесения, используемые в прототипе, обеспечивают осаждение из направленного плазменного или парового потока материала покрытия, неподвижного в пространстве. The known method does not allow coating on parts of complex configuration, as well as large-sized parts having shaded areas of the working surface, since the application methods used in the prototype provide for the deposition from the directed plasma or vapor stream of the coating material that is stationary in space.

Технической задачей изобретения является возможность нанесения покрытия на детали сложной конфигурации и на крупногабаритные детали при сохранении высокого качества покрытия. An object of the invention is the ability to coat parts of complex configuration and large parts while maintaining high quality coatings.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в предложенном способе нанесения покрытия, включающем предварительную обработку поверхности детали, нанесение первого слоя жаростойкого покрытия из сплава на основе никеля, нанесение второго слоя, содержащего алюминий, проведение вакуумного диффузионного отжига, обработку поверхности покрытия шлифпорошком, нанесение третьего керамического слоя и финишную обработку детали с покрытием, первый и третий слои покрытия наносят газотермическим способом, а второй слой методом шликерной технологии, причем перед проведением вакуумного диффузионного отжига осуществляют сушку второго слоя при температуре 350^oС в течение 30-60 мин и в качестве финишной обработки используют виброшлифование поверхности третьего керамического слоя с последующей вакуумной термообработкой детали с покрытием, а второй слой наносят из шликера, следующего химического состава, маc.%:
Мелкодисперсный порошок на основе алюминия - 40-60
Алюмохромфосфатное связующее - Остальное
При этом мелкодисперсный порошок на основе алюминия имеет состав, мас.%:
Кремний - 0,5-15
Алюминий - Остальное
или дополнительно содержит
Иттрий - 0,1-1,3%
Толщина первого слоя покрытия составляет 30-100 мкм, суммарная толщина первого и второго слоев после вакуумного диффузионного отжига 30-110 мкм, толщина третьего слоя 30-300 мкм.The stated technical problem is achieved in that in the proposed method of coating, including pre-treatment of the surface of the part, applying the first layer of a heat-resistant coating of nickel-based alloy, applying a second layer containing aluminum, conducting vacuum diffusion annealing, treating the surface of the coating with grinding powder, applying a third ceramic layer and finish processing of the coated part, the first and third layers of the coating are applied by the thermal method, and the second layer by the slip method technology, and before conducting vacuum diffusion annealing, the second layer is dried at a temperature of 350 ^o C for 30-60 minutes, and the surface treatment of the third ceramic layer with subsequent vacuum heat treatment of the coated part is used as a finish, and the second layer is applied from a slip, the following chemical composition, wt.%:
Fine powder based on aluminum - 40-60
Alumochromophosphate Binder - Else
While finely dispersed powder based on aluminum has a composition, wt.%:
Silicon - 0.5-15
Aluminum - Else
or additionally contains
Yttrium - 0.1-1.3%
The thickness of the first coating layer is 30-100 microns, the total thickness of the first and second layers after vacuum diffusion annealing is 30-110 microns, the thickness of the third layer is 30-300 microns.

Применение газотермического способа и шликерной технологии обеспечивает возможность нанесения покрытия на детали сложной конфигурации и крупногабаритные детали с затененной рабочей поверхностью (внутренняя поверхность) благодаря возможности перемещения в пространстве потока материала покрытия или шликера путем соответствующего перемещения горелки (газотермическое напыление) или распылителя (шликерное покрытие). При вакуумном диффузионном отжиге первого и второго слоев покрытия на поверхности детали имеет место оплавление второго (шликерного) слоя, содержащего алюминий, приводящее к сращиванию этих слоев с образованием плотного диффузионного алюминидного покрытия на основе жаростойкой фазы NiAl (β-фазы), легированной элементами, входящими в первый и второй слои покрытия и формирование металлического соединительного слоя теплозащитного покрытия (теплозащитное покрытие включает в себя соединительный слой, а также внешний керамический слой). Соединительный слой, полученный после вакуумного диффузионного отжига, содержит ~ 26-30% (мас.%) алюминия, а также кремний и иттрий, что обеспечивает в процессе эксплуатации теплозащитного покрытия на границе с керамическим слоем образование прочного оксидного слоя, имеющего низкую скорость роста и плотность ~ 100%, что в целом позволяет получить высокие термостойкость, жаростойкость покрытия и ресурс детали с покрытием. The application of the gas-thermal method and slip technology makes it possible to coat parts of complex configuration and large-sized parts with a shaded work surface (inner surface) due to the possibility of moving the coating material or slip in the space by appropriate movement of the burner (thermal spraying) or spray gun (slip coating). In vacuum diffusion annealing of the first and second coating layers, a second (slip) layer containing aluminum is fused on the surface of the part, leading to the coalescence of these layers with the formation of a dense diffusion aluminide coating based on the heat-resistant NiAl phase (β phase) doped with elements entering into the first and second coating layers and the formation of the metal connecting layer of the heat-shielding coating (heat-shielding coating includes a connecting layer, as well as an external ceramic layer). The connecting layer obtained after vacuum diffusion annealing contains ~ 26-30% (wt.%) Aluminum, as well as silicon and yttrium, which ensures the formation of a durable oxide layer with a low growth rate and operation during the operation of the heat-shielding coating at the boundary with the ceramic layer density ~ 100%, which in general allows to obtain high heat resistance, heat resistance of the coating and the resource of the coated part.

Сущность изобретения поясняется на примере. The invention is illustrated by example.

Пример. Покрытие наносят на образцы и натурные детали из жаропрочного листового никелевого сплава ВЖ 145. Example. The coating is applied to samples and full-scale parts from heat-resistant nickel alloy sheet VZh 145.

Плоские образцы и детали из листового жаропрочного сплава подвергают предварительной обработке под нанесение покрытия (обезжиривание, пескоструйная обработка шлифпорошком 25А на пескоструйной установке) с целью удаления окалины и других загрязнений и обеспечения шероховатой поверхности. После окончания подготовительной обработки на деталь газотермическим способом (плазменное напыление на установке УПУ-ЗД) наносят первый слой жаростойкого покрытия из никелевого сплава, содержащего:
Cr (20,5%);
Со (4,27%);
Аl (12,3%);
Y (0,43%),
толщиной 30, 65, 100 мкм. Система покрытия Ni-Co-Cr-Al-Y первого слоя позволяет обеспечить минимальные напряжения на границе сплав ВЖ 145 - покрытие. Жаростойкие составы системы MeCrAlY, где Me-Ni, или Ni-Co известны. Эти сплавы могут быть дополнительно легированы такими элементами, как Та, Re, Hf, W, С, Si и др. Конкретный состав первого слоя покрытия выбирают в зависимости от материала детали таким образом, чтобы обеспечить согласование термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в области рабочих температур материала основы (детали) с ТКЛР материала покрытия первого слоя.Flat specimens and parts from a heat-resistant alloy sheet are pretreated for coating (degreasing, sandblasting with 25A sanding powder in a sandblasting unit) in order to remove scale and other impurities and provide a rough surface. After the preparatory treatment is completed, the first part of the heat-resistant coating of nickel alloy containing the following is applied to the part by the thermal method (plasma spraying at the UPU-ZD installation):
Cr (20.5%);
Co (4.27%);
Al (12.3%);
Y (0.43%),
30, 65, 100 microns thick. The coating system Ni-Co-Cr-Al-Y of the first layer allows for minimum stresses at the interface of VZh 145 alloy - coating. Heat-resistant compositions of the MeCrAlY system, where Me-Ni, or Ni-Co are known. These alloys can be additionally alloyed with elements such as Ta, Re, Hf, W, C, Si, etc. The specific composition of the first coating layer is selected depending on the material of the part in such a way as to ensure coordination of the thermal coefficient of linear expansion (TEC) in the region operating temperatures of the base material (part) with the thermal expansion coefficient of the coating material of the first layer.

Затем на деталь наносят второй слой из шликера следующего состава, мас. %::
Мелкодисперсный порошок на основе Аl - 40-60
Алюмохромфосфатное связующее - Остальное
Для повышения качества шликерного покрытия мелкодисперсный порошок на основе Аl дополнительно вводят Si - (0,5-15) или Si - (0,5-15) и Y - (0,1-1,3), причем легирование порошка Y проводят в случае, если содержание Y в первом слое покрытия низкое (<0,2%) или Y не входит в состав первого слоя покрытия. Наличие кремния в шликере способствует металлотермической реакции, протекающей при вакуумном диффузионном отжиге первого и второго слоя покрытия, и шлакованию лишних элементов, входящих в состав шликера, а иттрий обеспечивает повышение адгезии оксидной пленки на границе между металлическим и керамическим слоями покрытия. При этом Si и Y можно вводить в шликер как в отдельности, так и путем выплавки сплава Al-Si-Y и изготовления из него мелкодисперсного порошка на основе Аl. Шликерное покрытие наносят кистью или краскораспылителем (в зависимости от доступности участков крупногабаритного изделия, подлежащих покрытию) марки СО-6А при давлении сжатого воздуха 3-5 ати одним или двумя слоями общей толщиной 50-100 мкм, затем проводят сушку шликерного слоя в воздушной атмосфере в печи при температуре 350^oС с выдержкой 30-60 мин и подъемом температуры в течение 1,5-3 ч. Такой режим сушки позволяет полностью удалить воду из шликерного слоя независимо от габаритов и массы детали, что способствует получению качественного покрытия.Then, a second layer of a slip of the following composition, wt. % ::
Fine powder based on Al - 40-60
Alumochromophosphate Binder - Else
To improve the quality of the slip coating, finely dispersed Al-based powder is additionally introduced with Si - (0.5-15) or Si - (0.5-15) and Y - (0.1-1.3), and Y is doped with if the content of Y in the first coating layer is low (<0.2%) or Y is not included in the first coating layer. The presence of silicon in the slip contributes to the metallothermal reaction that occurs during vacuum diffusion annealing of the first and second coating layers, and to the slagging of the excess elements that make up the slip, and yttrium increases the adhesion of the oxide film at the interface between the metal and ceramic layers of the coating. In this case, Si and Y can be introduced into the slip both individually and by smelting the Al — Si — Y alloy and making fine powder based on Al from it. A slip coating is applied with a brush or a spray gun (depending on the availability of areas of a large product to be coated) of grade СО-6A at a compressed air pressure of 3-5 at one or two layers with a total thickness of 50-100 μm, then the slip layer is dried in an air atmosphere in furnace at a temperature of 350 ^o With a holding time of 30-60 minutes and raising the temperature for 1.5-3 hours. This drying mode allows you to completely remove water from the slip layer, regardless of the dimensions and weight of the part, which helps to obtain high-quality coated and I.

Далее деталь подвергают диффузионному вакуумному отжигу при температуре 1000^oС в течение 4-4,5 ч для получения диффузионного алюминидного слоя. В процессе вакуумного отжига происходит уплотнение первого слоя покрытия с заполнением открытой пористости, присущей газотермическому покрытию, образующимся в процессе отжига интерметаллидом на основе β-фазы (NiAl), содержащей 26-30% алюминия. При таком содержании алюминия в β-фазе и легировании ее хромом и иттрием из первого слоя и кремнием из шликера, или кремнием и иттрием из шликера покрытие обладает высокой жаростойкостью и не ухудшает основные механические свойства жаропрочного листового сплава.Next, the part is subjected to diffusion vacuum annealing at a temperature of 1000 ^o C for 4-4.5 hours to obtain a diffusion aluminide layer. In the process of vacuum annealing, the first coating layer is densified with the open porosity filling inherent in the gas-thermal coating formed during the annealing process with a β-phase (NiAl) -based intermetallic compound containing 26-30% aluminum. With such a content of aluminum in the β-phase and doping it with chromium and yttrium from the first layer and silicon from the slip, or silicon and yttrium from the slip, the coating has high heat resistance and does not impair the basic mechanical properties of the heat-resistant sheet alloy.

После проведения диффузионного отжига поверхность образцов и деталей подвергают обработке шлифпорошком 25А 5П-6П для удаления шлаков от второго слоя на основе шликера, появления светлой металлической поверхности и создания шероховатости ▽5-▽6. Затем деталь с покрытием обдувается чистым сжатым воздухом от остатков электрокорунда для обеспечения лучшей адгезии керамического слоя. After diffusion annealing, the surface of the samples and parts is subjected to grinding powder 25A 5P-6P to remove slag from the second layer on the basis of the slip, the appearance of a light metal surface and create a roughness of-5-. 6. Then, the coated part is blown with clean compressed air from the remains of electrocorundum to ensure better adhesion of the ceramic layer.

На очищенную поверхность образцов и деталей наносят газотермическим способом третий керамический слой следующего состава, мас.%:
Y₂О₃ - 7
ZrO₂ - Остальное
После нанесения слоя керамики образцы и детали с покрытием подвергают финишной обработке (керамический слой на образцах имел толщину 30, 150, 300 мкм). В качестве финишной обработки проводят виброшлифовку поверхности керамического слоя для получения шероховатости поверхности ▽6-▽7, а затем вакуумную термообработку детали с покрытием при температуре 1000-1050^oС в течение 1-2 ч.On the cleaned surface of the samples and parts, a third ceramic layer of the following composition is applied by gas thermal method, wt.%:
Y ₂ O ₃ - 7
ZrO ₂ - Else
After applying the ceramic layer, the samples and coated parts are subjected to finishing processing (the ceramic layer on the samples had a thickness of 30, 150, 300 μm). As the finish treatment, the surface grinding of the ceramic layer is carried out to obtain a surface roughness of ▽ 6- ▽ 7, and then vacuum heat treatment of the coated part at a temperature of 1000-1050 ^o C for 1-2 hours.

Полученные образцы из листового жаропрочного сплава ВЖ145 с покрытиями, отличающимися толщиной и составом шликера, подвергались испытаниям на жаростойкость и термостойкость. Сравнительные характеристики образцов с покрытием, полученным по предлагаемому способу и способу-прототипу, приведены в таблице. The obtained samples from the VZh145 heat-resistant alloy sheet with coatings differing in the thickness and composition of the slip were tested for heat resistance and heat resistance. Comparative characteristics of samples with a coating obtained by the proposed method and the prototype method are shown in the table.

Из примеров, приведенных в таблице, видно, что образцы из листовых сплавов типа ВЖ с предлагаемым покрытием имеют высокую жаростойкость при испытаниях в спокойной атмосфере печи на воздухе при 1150^oС, а также высокую термостойкость при "жестком" цикле испытаний (см. пп. 1, 2, 3, таблицы). При минимальных толщинах слоев покрытия и минимальном содержании Si и Y в шликерном слое (образцы 1) покрытие имеет термостойкость свыше 60 циклов и жаростойкость на уровне 725 ч. При максимальных толщинах слоев покрытия и максимальном содержании Si и Y в шликерном слое (образцы 3) покрытие имеет жаростойкость на уровне 750 ч и термостойкость 56 циклов. Образцы 2, имеющие средний состав шликера и среднюю толщину слоев покрытия, имеют свойства на уровне прототипа (образцы 4), где используется керамика столбчатой структуры, обладающая высокой термостойкостью. На поверхности образцов с покрытием, полученным по способу-прототипу, после термоциклических испытаний (60 циклов) дефекты не обнаружены, а после испытаний на жаростойкость при 1150^oС в течение 800 ч были замечены незначительные (5% от общей поверхности покрытия) сколы керамического слоя покрытия (третий слой).From the examples shown in the table, it is seen that the samples of sheet alloys of the VZh type with the proposed coating have high heat resistance when tested in a calm atmosphere of an oven in air at 1150 ^o C, as well as high heat resistance with a "hard" test cycle (see paragraphs. 1, 2, 3, tables). At the minimum thicknesses of the coating layers and the minimum content of Si and Y in the slip layer (samples 1), the coating has a heat resistance of more than 60 cycles and heat resistance at the level of 725 hours. At the maximum thicknesses of the coating layers and the maximum content of Si and Y in the slip layer (samples 3), the coating has a heat resistance of 750 h and a heat resistance of 56 cycles. Samples 2, having an average slurry composition and an average thickness of the coating layers, have properties at the prototype level (samples 4), where columnar ceramic with high heat resistance is used. On the surface of the samples with the coating obtained by the prototype method, after thermal cycling tests (60 cycles), no defects were detected, and after tests for heat resistance at 1150 ^o C for 800 h, minor (5% of the total coating surface) chips of the ceramic layer were noticed coatings (third layer).

Предлагаемый способ позволяет наносить на крупногабаритные детали сложной конфигурации теплозащитное покрытие с высокими показателями жаростойкости и термостойкости, что дает возможность более чем в два раза повысить ресурс ответственных деталей ГТД - камеры сгорания, жаровых труб и т.д. The proposed method allows to apply heat-resistant coating with large heat resistance and heat resistance to large-sized parts of complex configuration, which makes it possible to more than double the life of critical parts of a gas turbine engine - a combustion chamber, flame tubes, etc.

Использование предлагаемого "способа нанесения покрытия" не требует дорогостоящего оборудования. Стоимость покрытия, полученного по предлагаемому способу, более чем в два раза ниже стоимости покрытий, получаемых известным способом. Using the proposed “coating method” does not require expensive equipment. The cost of the coating obtained by the proposed method is more than half the cost of coatings obtained in a known manner.

Источники информации
1. Колбмыцев П.Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов. - М.: Металлургия, 1984 г., с. 169-170.Sources of information
1. Kolbmytsev P.T. Gas corrosion and the strength of nickel alloys. - M.: Metallurgy, 1984, p. 169-170.

2. Патент РФ 2078148. 2. RF patent 2078148.

Claims

1. The method of coating parts of a gas turbine engine, including pre-treatment of the surface of the part, applying the first layer of a heat-resistant coating of nickel-based alloy, applying a second layer containing aluminum, conducting vacuum diffusion annealing, treating the surface of the coating with grinding powder, applying a third ceramic layer and finishing processing a coated part, characterized in that the first and third coating layers are applied by a thermal spray method, and the second layer by slip technology .

2. The method according to p. 1, characterized in that before conducting vacuum diffusion annealing, the second layer is dried at a temperature of 350 ^o C for 30-60 minutes

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the surface treatment is used for vibration grinding of the surface of the third ceramic layer, followed by vacuum heat treatment of the coated part.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the second layer is applied from a slip, of the following chemical composition, wt.%:
Fine powder based on aluminum - 40-60
Alumochromophosphate Binder - Else
5. The method according to claim 4, characterized in that the fine powder based on aluminum has a composition, wt.%:
Silicon - 0.5-15
Aluminum - Else
6. The method according to claim 5, characterized in that the fine powder based on aluminum additionally contains yttrium 0.1-1.3 wt.%.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the thickness of the first coating layer is 30-100 μm, the total thickness of the first and second layers after vacuum diffusion annealing is 30-110 μm, the thickness of the third layer is 30-300 μm .