Патент на изобретение №2190691

(54) СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты лопаток газовых турбин, в том числе с транспирационным охлаждением, от высокотемпературного окисления. Способ предполагает осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего мас.%: хром 12-20, алюминий 6-12, тантал 1,5-8, вольфрам 0,3-4, рений 0,3-2,5, иттрий 0,1-0,5, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, что позволяет повысить термическую стабильность, увеличить на 50-70^oС рабочую температуру диффузионных алюминидных покрытий, жаростойкость и срок службы алюминидных покрытий для лопаток турбин. 3 табл.

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты лопаток газовых турбин, в том числе с транспирационным охлаждением, от высокотемпературного окисления.

В промышленности известны способы защиты лопаток газовых турбин алитированием поверхности пера с предварительным нанесением слоя из никелевых сплавов или металлов платиновой группы [1]. Полученные композиции на основе алюминидов никеля или никеля и платины обладают необходимым комплексом физико-химических свойств в контакте с жаропрочными сплавами для обеспечения работоспособности рабочих лопаток турбин в области высоких температур.

Недостатком известных способов является низкая термическая стабильность покрытий в контакте с жаропрочными никелевыми сплавами при температурах 1050-1100^oС, из-за интенсивного диффузионного обмена на границе сплав-покрытие, а также высокая стоимость и трудоемкость получения подобных покрытий, что связано с применяемыми материалами (платина) и необходимостью использования отличных друг от друга технологий нанесения внутреннего и внешнего слоя.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ защиты лопаток газовых турбин от высокотемпературной коррозии, включающий последовательное осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, в котором осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного танталом, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Хром – 6-14
Алюминий – 10-13,5
Тантал – 1,5-4,5
Иттрий – 0,1-0,8
Никель – Остальное [2]
Недостатками известного способа является низкая термическая стабильность и жаростойкость из-за интенсивной диффузии в слой покрытия из сплава основы на стадии формирования и в процессе эксплуатации титана, молибдена, ниобия, углерода и ряда других элементов, снижающих жаростойкость покрытия, и встречной диффузии из покрытия в основу алюминия, что, с одной стороны, уменьшает срок службы покрытия, а с другой, разупрочняет защищаемый сплав и снижает эксплуатационные характеристики композиции сплав-покрытие в целом.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение термической стабильности и жаростойкости покрытия.

Это достигается тем, что в способе защиты лопаток газовых турбин, включающем осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, тантал, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного вольфрамом и рением, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Хром – 12-20
Алюминий – 6-12
Иттрий – 0,1-0,5
Тантал – 1,5-8
Вольфрам – 0,3-4
Рений – 0,3-2,5
Никель – Остальное
Способ защиты лопаток газовых турбин с осаждением первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, дополнительно легированного вольфрамом и рением, позволяет существенно поднять термическую стабильность покрытия, т.к. при формировании покрытия и при дальнейшей эксплуатации на границе жаропрочный никелевый сплав – алюминидное покрытие образуются термодинамически стабильные карбиды вольфрама, тантала, рения с участием легирующих элементов защищаемого сплава, попадание которых в покрытие снижает его жаростойкость (титан, молибден, ниобий и т.д.), что препятствует попаданию этих элементов в покрытие. Образующиеся карбиды являются естественным диффузионным барьером для предотвращения диффузии алюминия в защищаемый сплав. Карбиды тантала, вольфрама, рения типа МеС и Ме₆С стабильны до температур на 200-250^oС выше, чем карбиды хрома типа Ме₂₃С₆, всегда присутствующие на границе жаропрочный сплав – диффузионное алюминидное покрытие и распадающиеся при температурах свыше 1050^oС. В совокупности два эффекта повышают термическую стабильность, увеличивают на 50-70^oС рабочую температуру диффузионных алюминидных покрытий, жаростойкость и срок службы алюминидных покрытий для лопаток турбин.

Сущность изобретения поясняется примером.

Ионно-плазменным методом на образцах из сплавов ЖС6У, ЖС26 и ЖС32 в соответствии с предлагаемым способом нанесли первый конденсированный слой покрытия из никелевых сплавов системы NiCrAlTaWReY, состав которых представлен в таблице 1, Затем также ионно-плазменным методом было произведено осаждение второго слоя из алюминия и термообработка в вакууме по режим 1000-1050^oС в течение 3-4 часов. Толщина слоя из никелевых сплавов составляла 15-25 мкм, удельный привес алюминия на единицу поверхности – 50-55г/м².

Были проведены микрорентгеноспектральные исследования состава покрытий, полученных на сплаве ЖС6У в исходном состоянии, результаты которых представлены в таблице 2. Из представленных данных видно, что осаждение первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего легирующие элементы, образующие карбиды на границе сплав-покрытие (хром, тантал, вольфрам, рений) с легирующими элементами жаропрочного сплава, снижающими жаростойкость покрытия (титан, молибден, ниобий, углерод), исключает попадание этих элементов в покрытие. Перечисленные элементы входят в состав сложных карбидов. Для сплава 1 зона диффузионного взаимодействия на границе покрытие-основа содержится до 20% вольфрама при 11,2% хрома, что свидетельствует о том, что в слое преобладают более термически стабильные карбиды на основе вольфрама. При увеличении содержания тантала в первом слое покрытия из никелевого сплава до 8% (сплав 3) он обнаруживается в зоне диффузионного взаимодействия, вытесняя из нее вольфрам и формируя еще более стабильные карбиды. С уменьшением доли вольфрама до 0,3%, рения до 0,3%, тантала до 1,5% присутствие в зоне диффузионного взаимодействия карбидов вольфрама сохраняется (сплав 2). Уменьшение содержания карбидообразующих элементов в слое никелевого сплава приводит к росту доли хрома в зоне диффузионного взаимодействия до 20% (сплав 4) и формированию его карбидов типа Ме₂₃С₆, которые стабильны до температур 1000-1050^oС.

В условиях изотермического окисления в спокойной атмосфере на воздухе при температуре 1100^oС была исследована жаростойкость образцов с покрытиями по изменению удельного прироста массы на единицу поверхности. Образцы располагались в алундовых тиглях с крышками. Взвешивание образцов вместе с осыпавшейся в тигель окалиной производилось через 50-100 часов испытаний с точностью 0,0001 г. Для повышения достоверности результатов покрытие каждого типа наносилось на 3-4 образца. В таблице 3 представлены средние арифметические значения полученных результатов. Покрытие, полученное с использованием сплава 1 среднего оптимального состава, обеспечило наименьшие значения прироста массы образцов из всех рассмотренных жаропрочных сплавов на базе испытаний до 450 часов.

Металлографические исследования состояния покрытий после испытаний показали, что покрытия, полученные с использованием предлагаемого технического решения, сохранили в своем составе моноалюминид никеля, являющийся основной жаростойкой фазой алюминидных покрытий. Покрытие-прототип утратило защитные свойства, т.к. его основной фазовой составляющей является твердый раствор на основе Ni-Cr. Толщина слоя новых покрытий, определенная металлографически при увеличении 400^x после испытаний на 15-20%, меньше, чем у покрытия взятого за прототип.

Отметим также, что исследование длительной жаропрочности образцов из сплавов ЖС6У и ЖС26 с покрытием оптимального состава из сплава 1 и алюминия обеспечило прирост жаропрочности на 10-15% по сравнению с прототипом на базе испытаний 100 часов соответственно при 1050 и 1100^oС.

Применение диффузионных алюминидных покрытий, полученных на лопатках турбин ГТД в соответствии с новым способом, позволит увеличить их рабочую температуру на 50-70^oС и поднять ресурс лопаток на 20-30%, что даст значительный экономический эффект.

Источники информации
1. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин / Абраимов Н.В. – М.: Машиностроение, 1993, – 336 с.

2. Патент РФ 2033474 по классу С 23 С 14/00, опубл. 20.04.95, бюл. 11.

Формула изобретения

Способ защиты лопаток газовых турбин, включающий осаждение в вакууме на внешнюю поверхность пера лопатки первого слоя конденсированного покрытия из никелевого сплава, содержащего хром, алюминий, тантал, иттрий, последующее осаждение второго слоя на основе алюминия и вакуумный отжиг, отличающийся тем, что осаждение первого слоя покрытия производят из никелевого сплава, дополнительно легированного вольфрамом и рением при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Хром – 12-20
Алюминий – 6-12
Иттрий – 0,1-0,5
Тантал – 1,5-8
Вольфрам – 0,3-4
Рений – 0,3-2,5
Никель – Остальное

РИСУНКИ