[go: up one dir, main page]

RU2089655C1 - Method of application of protective coating - Google Patents

Method of application of protective coating Download PDF

Info

Publication number
RU2089655C1
RU2089655C1 RU94011658A RU94011658A RU2089655C1 RU 2089655 C1 RU2089655 C1 RU 2089655C1 RU 94011658 A RU94011658 A RU 94011658A RU 94011658 A RU94011658 A RU 94011658A RU 2089655 C1 RU2089655 C1 RU 2089655C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
application
vacuum
ceramic
ceramic layer
Prior art date
Application number
RU94011658A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94011658A (en
Inventor
Г.Г. Шамарина
М.Е. Киселев
Original Assignee
Акционерное общество открытого типа "Моторостроитель"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество открытого типа "Моторостроитель" filed Critical Акционерное общество открытого типа "Моторостроитель"
Priority to RU94011658A priority Critical patent/RU2089655C1/en
Publication of RU94011658A publication Critical patent/RU94011658A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2089655C1 publication Critical patent/RU2089655C1/en

Links

Landscapes

  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: application of protective coatings; applicable in manufacture of turbine blades, mainly, of gas turbine engines. SUBSTANCE: the offered method includes successive application of multicomponent aluminum-containing metal and ceramic layers. Metal layer is applied in vacuum followed by vacuum homogenizing annealing. After application of ceramic layer 70-300 mcm thick, the product is subjected to treatment by high-temperature pulsed plasma with subsequent oxidizing roasting at temperature of not less than 1050 C for, at least, 5 h. EFFECT: higher efficiency. 7 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления лопаток турбины, преимущественно газотурбинных двигателей, а именно к способам получения теплозащитных покрытий. The invention relates to the field of manufacturing turbine blades, mainly gas turbine engines, and in particular to methods for producing heat-protective coatings.

Известен способ получения защитного покрытия системы MeCoCrAIY, MeCrAIY, MeCrIH, электронно-лучевым методом или комбинированных покрытий, полученных сочетанием процессов катодного распыления в вакууме с последующим алитированием из порошков /1/. A known method of obtaining a protective coating of the system MeCoCrAIY, MeCrAIY, MeCrIH, electron beam method or combined coatings obtained by a combination of cathodic sputtering processes in vacuum and subsequent alithization from powders / 1 /.

Однако таким способом можно получить покрытия с ограниченной жаро-, термо- и эрозионностойкостью, что в конечном итоге влияет на ресурс работы изделия, ограничивая его порядком 400 ч. However, in this way it is possible to obtain coatings with limited heat, heat and erosion resistance, which ultimately affects the life of the product, limiting it to 400 hours.

Известен способ получения защитного покрытия из двух слоев: металлического системы MeCrAIY или MeCrAIYb и керамического, причем металлический и керамический слой ZrO2•Y2O3 наносят с помощью низкотемпературной плазмы в атмосфере /2/.A known method of obtaining a protective coating of two layers: a metal system MeCrAIY or MeCrAIYb and ceramic, and the metal and ceramic layer ZrO 2 • Y 2 O 3 is applied using a low-temperature plasma in the atmosphere / 2 /.

Полученное таким способом покрытие служит тепловым барьером между раскаленными газами и материалом детали. Керамический слой защищает металлический слой от коррозии, окисления, эрозии, способствует увеличению ресурса работы изделия до уровня 1000 ч. Однако нанесенный плазменным методов в атмосфере керамический слой имеет развитую поверхность с шероховатостью ▽4 - ▽5 и обычно относительный объем пор порядка 6-9% /иногда до 20%/. С увеличением пористости увеличивают теплозащитный свойства покрытия, улучшается сопротивляемость растрескиванию, но ухудшается сопротивление коррозии, уменьшается адгезия и прочность покрытия, т.е. возможны скалывания керамического слоя и разрушения как при напылении, так и при эксплуатации. The coating obtained in this way serves as a thermal barrier between the hot gases and the material of the part. The ceramic layer protects the metal layer from corrosion, oxidation, erosion, helps to increase the life of the product to 1000 hours. However, the ceramic layer deposited by plasma methods in the atmosphere has a developed surface with a roughness of ▽ 4 - ▽ 5 and usually the relative pore volume is about 6-9% / sometimes up to 20% /. With an increase in porosity, the heat-shielding properties of the coating increase, cracking resistance improves, but corrosion resistance deteriorates, adhesion and coating strength decrease, i.e. chipping of the ceramic layer and destruction both during spraying and during operation are possible.

Задачей изобретения является создание композитного металл-керамического материала кислотно-эрозионностойкого, неразрушающегося, теплозащитного покрытия с высокоплотной структурой поверхности, работающего в агрессивных средах и используемого при производстве конструкций двигателестроения, энергетики, электронной и автомобильной промышленности, для реакторов управляемого синтеза, ТНП и пр. The objective of the invention is the creation of a composite metal-ceramic material of an acid-erosion-resistant, non-destructive, heat-shielding coating with a high-density surface structure, operating in aggressive environments and used in the manufacture of engine construction, energy, electronic and automotive industries, for controlled synthesis reactors, consumer goods, etc.

Эта задача решается за счет обработки поверхности высококонцентрированными потоками энергии, например высокотемпературной импульсной плазмой, и последующего окислительного отжига при температуре не менее 1050oC.This problem is solved by treating the surface with highly concentrated energy flows, for example, high-temperature pulsed plasma, and subsequent oxidative annealing at a temperature of at least 1050 o C.

В качестве первого металлического демпфирующего слоя используют сплав системы MeCoCrAIY с содержанием алюминия от 5 до 13% /с увеличением количества алюминия от 5% увеличивается жаростойкость сплава/ и толщиной 15-30 мкм. As the first metal damping layer, an alloy of the MeCoCrAIY system with an aluminum content of 5 to 13% is used / with an increase in the amount of aluminum from 5%, the heat resistance of the alloy increases / and a thickness of 15-30 μm.

В качестве второго слоя используют алюминиевый сплав, легированный никелем и иттрием толщиной 20-40 мкм и подвергнутый последующему диффузионному отжигу. Оба металлических слоя наносились в вакууме. As the second layer, an aluminum alloy doped with nickel and yttrium with a thickness of 20-40 μm and subjected to subsequent diffusion annealing is used. Both metal layers were applied in vacuum.

В качестве третьего слоя используют керамический слой ZrO2•8Y2O3 толщиной 70-100 мкм, подвергнутый в последующем диффузионному и окислительному отжигам, причем керамику можно наносить как в вакууме, так и в атмосфере.As the third layer, a ceramic layer of ZrO 2 • 8Y 2 O 3 with a thickness of 70-100 μm, subjected to subsequent diffusion and oxidative annealing, is used, moreover, the ceramic can be applied both in vacuum and in the atmosphere.

Все слои выполняют известными способами, такими как вакуумно-плазменное, диффузионное, электронно-лучевое нанесение покрытия. All layers are performed by known methods, such as vacuum-plasma, diffusion, electron-beam coating.

Надежность, долговечность машин и аппаратов определяются высокой прочностью материалов и их совместимостью с окружающей атмосферой. Большая часть этих материалов подвергается нарастанию и уменьшению термических напряжений, коррозии, эрозии, высокотемпературному окислению, износу, выветриванию и безвозвратно теряется в процессе эксплуатации. Reliability, durability of machines and apparatuses are determined by the high strength of materials and their compatibility with the surrounding atmosphere. Most of these materials undergo an increase and decrease in thermal stresses, corrosion, erosion, high-temperature oxidation, wear, weathering and are irretrievably lost during operation.

Для получения нового состояния композитного эрозионно-, кислотостойкого неразрушающегося покрытия с внешним оксидным керамическим слоем изделие подвергают обработке высококонцентрированными потоками энергии импульсной обработкой плазмой водорода или азота, или кислорода. При таком способе происходит как поверхностная обработка, связанная с изменением свойств поверхностных слоев, так и объемная направленное изменение объемных свойств материалов. To obtain a new state of a composite erosion-resistant, acid-resistant non-destructible coating with an external oxide ceramic layer, the product is subjected to high-concentration energy flows by pulsed plasma treatment with hydrogen or nitrogen or oxygen. With this method, both surface treatment associated with a change in the properties of the surface layers and a volumetric directed change in the bulk properties of the materials occur.

Эта обработка возбуждает электронную систему оксидов и последующая релаксация определяется законами обычной теплопроводности. Время охлаждения для этих импульсных источников не превышает 10-7 с. Это обуславливает и весьма большие скорости охлаждения порядка 1010 oC в секунду.This treatment excites the electronic oxide system and subsequent relaxation is determined by the laws of ordinary thermal conductivity. The cooling time for these pulsed sources does not exceed 10 -7 s. This leads to very large cooling rates of the order of 10 10 o C per second.

Большие скорости охлаждения при использовании такой обработки приводят к существенным физико-химическим изменениям поверхности слоев и тем самым позволяют придать им новые определенные свойства. Например, при тепловом воздействии этих импульсных излучения аморфизируется поверхностный слой; из оксидов частично на микротолщину восстанавливается Zr с изменением структуры и энерговыделением, образуются тугоплавкие соединения типа Y2Zr2O7.The high cooling rates when using this treatment lead to significant physicochemical changes in the surface of the layers and thereby make it possible to give them new specific properties. For example, when exposed to the thermal effects of these pulsed radiation, the surface layer is amorphized; from oxides, Zr is partially reduced to a micro thickness by a change in structure and energy release, and refractory compounds of the type Y 2 Zr 2 O 7 are formed .

Кроме того, направленное импульсное излучение является причиной образования в микрообъемах материала акустических и ударных волн как за счет теплового расширения поверхностных слоев, так и за счет больших мощностей подводимой энергии из-за разлета образующейся плазмы. In addition, directed pulsed radiation causes the formation of acoustic and shock waves in the microvolumes of the material both due to the thermal expansion of the surface layers and due to the high power input of energy due to the expansion of the generated plasma.

Опытным путем было установлено, что следствием распространения как акустических, так и ударных волн в оксидах ZrO2, Y2O3, Al2O3, которые находятся на границе с керамическим слоем, является изменение их структуры, что приводит к ускорению диффузионных процессов.Последующий за обработкой плазмой высокотемпературный окислительный отжиг при 1050oC в течение 5-6 ч приводит к фазовой стабилизации, ускорению диффузионных процессов на границе металл керамика, соединению материалов, а именно к процессу низкотемпературного синтеза, получению нового композитного материала.It was experimentally established that the consequence of the propagation of both acoustic and shock waves in the oxides ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , which are located at the boundary with the ceramic layer, is a change in their structure, which leads to acceleration of diffusion processes. Subsequent to plasma treatment, high-temperature oxidative annealing at 1050 o C for 5-6 hours leads to phase stabilization, acceleration of diffusion processes at the metal-ceramic interface, the joining of materials, namely, to the process of low-temperature synthesis, to obtain a new composite material.

По предлагаемому способу на лопатку последовательно наносили металлические слои на вакуумно-плазменной установке при вакууме порядка 1•104мм рт. ст. и на электронно-лучевой.According to the proposed method, metal layers were successively applied to the blade in a vacuum-plasma installation under a vacuum of the order of 1 • 10 4 mm RT. Art. and on electron beam.

На вакуумно-плазменной установке при напылении к лопатке подводился ток 8А при подаче напряжений 30 В. В установке происходит испарение /эрозия/ материала катода, который потоком низкотемпературной плазмы между катодом и анодом ускоряется в направлении вращающихся деталей. In a vacuum-plasma installation, a current of 8A was applied to the blade during spraying at a voltage of 30 V. The installation evaporates / eroses / cathode material, which is accelerated by the flow of low-temperature plasma between the cathode and anode in the direction of rotating parts.

На электронно-лучевой установке с помощью пушки испаряли наносимый материал. On the electron-beam installation, the applied material was evaporated using a gun.

Керамическое покрытие наносили и в вакууме и в атмосфере. The ceramic coating was applied both in vacuum and in the atmosphere.

При нанесении в атмосфере на плазменной установке расплавляли подаваемый порошок ZrO2 в среде дуговой плазмы при вращающихся деталях.When applied in the atmosphere on a plasma installation, the supplied ZrO 2 powder was melted in an arc plasma medium with rotating parts.

При нанесении в вакууме на электронно-лучевой установке с помощью электронно-лучевой пушки испаряли керамические штабики, а затем конденсировали ZrO2 на вращающиеся детали в паровом потоке.When applied in a vacuum on an electron-beam installation using an electron-beam gun, ceramic beads were evaporated, and then ZrO 2 was condensed onto rotating parts in a steam stream.

Упрочнение керамического покрытия импульсной плазмой водорода /или азота или кислорода/ производили в вакууме на коаксиальном ускорителе плазмы. The ceramic coating was hardened by a pulsed plasma of hydrogen (or nitrogen or oxygen) in a vacuum using a coaxial plasma accelerator.

После упрочнения керамического покрытия лопатку подвергали окислительному отжигу путем нагрева и выдержки в электропечи на воздухе при температуре не менее 1050oC в течение 5-6 ч с последующим охлаждением на воздухе.After hardening of the ceramic coating, the blade was subjected to oxidative annealing by heating and holding in an electric furnace in air at a temperature of at least 1050 o C for 5-6 hours, followed by cooling in air.

Для деталей с толщиной керамического слоя 70-100 мкм окислительный отжиг проводили при температуре не менее 1050oC в течение 5-6 ч с последующим охлаждением на воздухе, а для деталей с толщиной керамического слоя 10-50 мкм время окислительного отжига при 1050oC составляло 1,5-2 ч. Такой же эффект можно достичь для деталей с толщиной 10-15 мкм при более низкой температуре
не менее 850oC, при выдержке изделия при окислительном отжиге не менее 5 ч. Для толщины керамического слоя 0,5-1 мкм при этой же температуре /850oC/ выдержка составляла не менее 1 ч. В случае относительно больших толщин керамического слоя порядка 100-300 мкм требовалась температура окислительного отжига не менее 1050oC с выдержкой в печи соответственно 6-10 ч.
For parts with a ceramic layer thickness of 70-100 microns, oxidative annealing was carried out at a temperature of at least 1050 o C for 5-6 hours, followed by cooling in air, and for parts with a ceramic layer thickness of 10-50 microns, the time of oxidative annealing at 1050 o C was 1.5-2 hours. The same effect can be achieved for parts with a thickness of 10-15 microns at a lower temperature
not less than 850 o C, with the exposure of the product during oxidative annealing for at least 5 hours. For the thickness of the ceramic layer 0.5-1 μm at the same temperature / 850 o C / the exposure was at least 1 hour. In the case of relatively large thicknesses of the ceramic layer about 100-300 microns required a temperature of oxidative annealing of at least 1050 o C with holding in the oven, respectively, 6-10 hours

Кроме того, возможно применение предлагаемого способа для художественного оформления товаров народного потребления. Для этого на детали образуют керамический слой толщиной около 10 мкм, затем наносят рисунок или художественную аппликацию, деталь обжигают, обрабатывают высокотемпературной плазмой, проводят окислительный отжиг при 600-700oC в течение 1 ч.In addition, it is possible to use the proposed method for the decoration of consumer goods. To do this, a ceramic layer with a thickness of about 10 μm is formed on the parts, then a drawing or art application is applied, the part is fired, treated with high-temperature plasma, oxidative annealing is carried out at 600-700 o C for 1 hour.

Кроме обработки импульсной плазмой водорода или азота или кислорода, возможны другие способы обработки керамического слоя высокотемпературными потоками энергии, например такими как ионно-лучевая или лазерная. In addition to treating hydrogen or nitrogen or oxygen with a pulsed plasma, other methods of treating the ceramic layer with high-temperature energy flows, for example, such as ion beam or laser, are possible.

Предлагаемый способ испытывался на деталях с разными толщинами керамического слоя с нагревом от 5-6 до 200 ч. Эффект повторялся для всех вариантов. The proposed method was tested on parts with different thicknesses of the ceramic layer with heating from 5-6 to 200 hours. The effect was repeated for all options.

Оксиды ZrO2 обычно хорошо снимаются в плавиковой кислоте и ее растворах. Покрытие, нанесенное по предлагаемому способу, подвергалось снятию в разных составах кислот, солей и других известных растворах с увеличением времени выдержки от 4-х до 3-х часов и более суток. Покрытие с упрочняющей обработкой сохранило первоначальное состояние.ZrO 2 oxides are usually well removed in hydrofluoric acid and its solutions. The coating applied by the proposed method was subjected to removal in different compositions of acids, salts and other known solutions with an increase in exposure time from 4 to 3 hours or more days. The coating with hardening treatment retained its original state.

Таким образом, нанесение металлического слоя в вакууме в обработка внешнего керамического слоя высокотемпературными потоками энергии с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050oC позволяет получить теплозащитное покрытие, стойкое к коррозии, эрозии, окислению и воздействию кислот, а также обеспечивает при этом термостойкость термостабильность, жаростойкость изделия, что в свою очередь обусловливает повышение ресурса работы изделия до уровня 1500 ч и более.Thus, the deposition of a metal layer in vacuum in the processing of the outer ceramic layer by high-temperature energy flows with subsequent oxidative annealing at a temperature of at least 1050 o C allows you to get a heat-resistant coating that is resistant to corrosion, erosion, oxidation and acid, and also provides thermal stability and thermal stability , heat resistance of the product, which in turn leads to an increase in the service life of the product to the level of 1500 hours or more.

Claims (1)

Способ получения защитного покрытия, включающий последовательное нанесение многокомпонентного алюминийсодержащего металлического и керамического слоев, отличающийся тем, что металлический слой наносят в вакууме, после чего проводят диффузионный вакуумный отжиг, а после нанесения керамического слоя с толщиной 70 300 мкм изделие подвергают обработке высокотемпературной импульсной плазмой с последующим окислительным отжигом при температуре не менее 1050oС не менее 5 ч.A method of obtaining a protective coating, comprising sequentially applying a multicomponent aluminum-containing metal and ceramic layers, characterized in that the metal layer is applied in vacuum, followed by diffusion vacuum annealing, and after applying a ceramic layer with a thickness of 70 300 μm, the product is subjected to high-temperature pulsed plasma treatment followed by oxidative annealing at a temperature of at least 1050 o With at least 5 hours
RU94011658A 1994-03-30 1994-03-30 Method of application of protective coating RU2089655C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94011658A RU2089655C1 (en) 1994-03-30 1994-03-30 Method of application of protective coating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94011658A RU2089655C1 (en) 1994-03-30 1994-03-30 Method of application of protective coating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94011658A RU94011658A (en) 1996-05-20
RU2089655C1 true RU2089655C1 (en) 1997-09-10

Family

ID=20154308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94011658A RU2089655C1 (en) 1994-03-30 1994-03-30 Method of application of protective coating

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2089655C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2218449C1 (en) * 2002-03-18 2003-12-10 Общество с ограниченной ответственностью Совместное российско-американское предприятие "Технология XXI века" Process of electron-plasma deposition of metal coats
RU2305034C1 (en) * 2006-02-17 2007-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") Method of application of the protective coatings on the details
RU2309194C2 (en) * 2005-01-11 2007-10-27 Виталий Степанович Гончаров Heat-resistant cermet coat
RU2394939C2 (en) * 2008-07-23 2010-07-20 Белорусский государственный университет Procedure for production of alloyed coating on surface of metal material
RU2688417C1 (en) * 2018-08-08 2019-05-22 Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") Method for application of heat-resistant coating on turbine blades of high-load engine

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001061067A1 (en) * 2000-02-17 2001-08-23 Anatoly Nikolaevich Paderov Combined protective coating of parts made of heat resisting alloys
US7229675B1 (en) 2000-02-17 2007-06-12 Anatoly Nikolaevich Paderov Protective coating method for pieces made of heat resistant alloys
RU2264480C2 (en) * 2000-04-10 2005-11-20 Падеров Анатолий Николаевич Method of deposition of protective coatings on details made out of refractory alloys

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Патент СШ А N 4535033, кл. C 23 C 7/00, 1985. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2218449C1 (en) * 2002-03-18 2003-12-10 Общество с ограниченной ответственностью Совместное российско-американское предприятие "Технология XXI века" Process of electron-plasma deposition of metal coats
RU2309194C2 (en) * 2005-01-11 2007-10-27 Виталий Степанович Гончаров Heat-resistant cermet coat
RU2305034C1 (en) * 2006-02-17 2007-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") Method of application of the protective coatings on the details
RU2394939C2 (en) * 2008-07-23 2010-07-20 Белорусский государственный университет Procedure for production of alloyed coating on surface of metal material
RU2688417C1 (en) * 2018-08-08 2019-05-22 Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") Method for application of heat-resistant coating on turbine blades of high-load engine

Also Published As

Publication number Publication date
RU94011658A (en) 1996-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6054184A (en) Method for forming a multilayer thermal barrier coating
US5834070A (en) Method of producing protective coatings with chemical composition and structure gradient across the thickness
US6677064B1 (en) In-situ formation of multiphase deposited thermal barrier coatings
JP2001225411A (en) Method for forming ceramic coating comprising porous layer, and coated article
JPH10219476A (en) Ceramic coated gas turbine blade
RU2264480C2 (en) Method of deposition of protective coatings on details made out of refractory alloys
US5900102A (en) Method for repairing a thermal barrier coating
US6471881B1 (en) Thermal barrier coating having improved durability and method of providing the coating
WO2007108546A1 (en) Ceramic coating member for semiconductor processing apparatus
JPH0791660B2 (en) Ground equipment with heat-resistant walls for environmental protection
JPH07157384A (en) Heat resistant and oxidation resistant high strength member and method for manufacturing the same
JPH0251978B2 (en)
RU2089655C1 (en) Method of application of protective coating
US6251504B1 (en) Ceramic heat barrier coating having low thermal conductivity, and process for the deposition of said coating
JPH06256926A (en) Coating film for heat shielding
JP2004149915A (en) Heat shielding ceramic coated part and method of manufacturing the same
RU2065505C1 (en) Turbine blade and method for its manufacture
JPH0978258A (en) High temperature member having thermal barrier coating and method of manufacturing the same
JP2991795B2 (en) Ceramics-coated carbon fiber reinforced carbon composite for ground equipment and gas turbine components using the same
He et al. Development of refractory silicate-yttria-stabilized zirconia dual-layer thermal barrier coatings
JP2001521990A (en) Gas jet PVD method for producing MoSi2 containing layer
JPH1161438A (en) Thermal barrier coating member and method of manufacturing the same
JPS62211387A (en) Production of ceramic coated heat resistant member
JP3876176B2 (en) Ceramic composition for heat shielding coating film
RU2415199C1 (en) Procedure for application of coating

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130331