RU2409701C2 - Procedure for application of ceramic coating - Google Patents
Procedure for application of ceramic coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2409701C2 RU2409701C2 RU2009113263/02A RU2009113263A RU2409701C2 RU 2409701 C2 RU2409701 C2 RU 2409701C2 RU 2009113263/02 A RU2009113263/02 A RU 2009113263/02A RU 2009113263 A RU2009113263 A RU 2009113263A RU 2409701 C2 RU2409701 C2 RU 2409701C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- product
- ceramic coating
- heat
- inert gas
- item
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при изготовлении рабочих лопаток турбин с монокристаллической структурой из жаропрочных литейных никелевых сплавов.The invention relates to the field of mechanical engineering and metallurgy and can be used in aviation and power turbine engineering in the manufacture of turbine blades with a single-crystal structure from heat-resistant cast nickel alloys.
Для продления ресурса работы турбин высокого давления применяют теплозащитные покрытия (ТЗП), обеспечивающие снижение температуры на поверхности пера охлаждаемых лопаток турбин на 30°С и более. Величина снижения температуры (теплозащитный эффект) определяется толщиной и удельной теплопроводностью внешнего керамического слоя.To extend the service life of high-pressure turbines, heat-protective coatings (TZP) are used to reduce the temperature on the surface of the pen of cooled turbine blades by 30 ° C or more. The magnitude of the temperature decrease (heat-shielding effect) is determined by the thickness and thermal conductivity of the outer ceramic layer.
Известен способ нанесения защитного покрытия с изменяющимся химическим составом и структурой по толщине, содержащего внешний керамический слой, в котором после нагрева подложки в камере напыления проводят нанесение покрытия электронно-лучевым испарением слитка из стабилизированного диоксида циркония, при этом поверхность слитка покрыта слоем, состоящим из смеси металлов и оксидов /патент ЕР № 0799904/.A known method of applying a protective coating with a varying chemical composition and structure in thickness, containing an external ceramic layer, in which, after heating the substrate in the spraying chamber, a coating is applied by electron beam evaporation of a stabilized zirconia dioxide ingot, and the surface of the ingot is coated with a layer consisting of a mixture metals and oxides / patent EP No. 0799904 /.
Известен способ нанесения покрытия на изделие, включающий нанесение шероховатого жаростойкого слоя, получаемого методом высокоскоростного кислородного распыления и последующее осаждение керамического слоя методом плазменного распыления на воздухе и с контролируемым формированием множества вертикальных микротрещин /патент ЕР № 1939316/.A known method of coating a product, comprising applying a rough heat-resistant layer obtained by high-speed oxygen spraying and subsequent deposition of the ceramic layer by plasma spraying in air and with the controlled formation of many vertical microcracks / patent EP No. 1939316 /.
Недостатками известных способов являются высокая трудоемкость нанесения покрытия, недостаточное сцепление теплозащитного покрытия с подложкой и снижение величины теплозащитного эффекта в процессе эксплуатации лопатки с покрытием.The disadvantages of the known methods are the high complexity of the coating, insufficient adhesion of the heat-shielding coating to the substrate and a decrease in the value of the heat-shielding effect during operation of the coated blades.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ нанесения покрытия на изделие, в котором после нагрева изделия, размещенного в камере напыления, содержащей кислород и инертный газ, до температуры 50-400°С, с помощью магнетронного распыления мишени проводят генерацию пара и осаждение металлического слоя, который затем обрабатывают высокочастотной плазмой для частичного окисления и формирования керамического покрытия. Перед осаждением керамического покрытия на поверхность изделия наносят жаростойкое покрытие /патент США № 6635124/.The closest analogue taken as a prototype is a method of coating a product, in which, after heating the product, placed in a spraying chamber containing oxygen and inert gas, to a temperature of 50-400 ° C, steam generation and deposition are carried out using magnetron sputtering of the target a metal layer, which is then treated with high-frequency plasma for partial oxidation and the formation of a ceramic coating. Before the ceramic coating is deposited, a heat-resistant coating is applied to the surface of the product / US patent No. 6635124 /.
Недостатком способа прототипа является недостаточно высокая термостойкость керамического покрытия при интенсивном нагреве и последующем охлаждении поверхности изделия с покрытием и снижение величины теплозащитного эффекта при выдержке в области рабочих температур.The disadvantage of the prototype method is the insufficiently high heat resistance of the ceramic coating with intense heating and subsequent cooling of the surface of the coated product and a decrease in the value of the heat-shielding effect when exposed to operating temperatures.
Технической задачей изобретения является разработка способа нанесения покрытия с высокой термостойкостью и длительно сохраняющейся величиной теплозащитного эффекта при рабочих температурах изделия.An object of the invention is to develop a coating method with high heat resistance and a long-lasting value of the heat-shielding effect at the product’s operating temperatures.
Техническая задача достигается тем, что предложен способ нанесения керамического покрытия, включающий размещение изделия в камере распыления, содержащей кислород и инертный газ, нагрев изделия, магнетронное распыление мишени в вакууме и формирование керамического покрытия на изделии, в котором нагрев изделия осуществляют до температуры 500-1000°С, а формирование керамического покрытия осуществляют в две стадии, при этом на первой стадии нагрев изделия совмещают с обработкой поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа, на второй стадии обработку поверхности изделия пучком ускоренных ионов совмещают с магнетронным распылением мишени, а после формирования керамического покрытия проводят термообработку изделия.The technical problem is achieved by the fact that the proposed method of applying a ceramic coating, including placing the product in a spray chamber containing oxygen and inert gas, heating the product, magnetron sputtering of the target in vacuum and forming a ceramic coating on the product, in which the product is heated to a temperature of 500-1000 ° C, and the formation of the ceramic coating is carried out in two stages, while in the first stage the heating of the product is combined with the treatment of the surface of the product with a beam of accelerated inert gas ions, Torah step surface treatment product a beam of accelerated ions is combined with a magnetron sputtering target, and forming a ceramic coating after heat-treated product.
При этом предпочтительно обработку поверхности изделия осуществлять пучком ускоренных ионов инертного газа с энергией ионов 500-2500 эВ, а перед формированием керамического покрытия на поверхность изделия наносить слой никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и, по крайней мере, один редкоземельный металл, термообработку изделия проводить при температуре 900-1050°С в течение 4-6 ч.It is preferable to carry out the surface treatment of the product with a beam of accelerated inert gas ions with an ion energy of 500-2500 eV, and before forming the ceramic coating, apply a layer of nickel alloy containing aluminum, chromium and at least one rare-earth metal to the surface of the product, heat-treat the product at a temperature of 900-1050 ° C for 4-6 hours
Установлено, нагрев поверхности изделия до температуры 500-1000°С является необходимым условием для формирования керамического покрытия со столбчатой структурой, которая является наиболее оптимальной в условиях интенсивных теплосмен, и препятствует его скалыванию из-за разных величин коэффициентов термического расширения и модулей упругости внешнего керамического и внутреннего металлического покрытий, входящих в состав теплозащитного покрытия. Введение операции обработки поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа в присутствии кислорода перед магнетронным распылением мишени способствует повышению адгезии керамического покрытия к подложке, за счет формирования на поверхности под керамическим покрытием плотной тонкой оксидной пленки на основе соединения α-Al2O3. Совмещение распыления мишени с обработкой поверхности изделия, на которой формируется керамическое покрытие, пучком ускоренных ионов инертного газа позволяет получать при осаждении чередующиеся слои керамики различной плотности и структуры. Наличие в керамическом покрытии границ раздела, параллельных поверхности покрываемого изделия, позволяет сохранять более длительное время величину теплозащитного эффекта при рабочих температурах.It has been established that heating the surface of the product to a temperature of 500-1000 ° C is a prerequisite for the formation of a ceramic coating with a columnar structure, which is most optimal in conditions of intense heat exchange and prevents its chipping due to different values of thermal expansion coefficients and elastic moduli of the external ceramic and internal metal coatings that make up the heat-shielding coating. The introduction of the operation of treating the surface of the product with a beam of accelerated inert gas ions in the presence of oxygen before the magnetron sputtering of the target increases the adhesion of the ceramic coating to the substrate, due to the formation of a dense thin oxide film based on the α-Al 2 O 3 compound on the surface under the ceramic coating. The combination of the sputtering of the target with the surface treatment of the product on which the ceramic coating is formed by a beam of accelerated inert gas ions makes it possible to obtain alternating layers of ceramics of various densities and structures during deposition. The presence in the ceramic coating of the interface parallel to the surface of the coated product, allows you to save a longer time value of the heat-shielding effect at operating temperatures.
Дополнительное нанесение на поверхность изделия слоя жаропрочного никелевого сплава перед формированием керамического покрытия может способствовать более длительному сохранению под керамическим покрытием плотной тонкой оксидной пленки на основе соединения α-Al2O3. Слой жаропрочного никелевого сплава не содержит тугоплавких элементов, характерных для жаропрочных литейных никелевых сплавов, которые при окислении образуют оксиды, разрыхляющие и увеличивающие толщину пленки на основе соединения α-Al2O3, что приводит к снижению адгезии керамического покрытия к подложке в условиях частых теплосмен.An additional deposition of a layer of heat-resistant nickel alloy on the surface of the product before the formation of the ceramic coating can contribute to a longer preservation of a dense thin oxide film based on the α-Al 2 O 3 compound under the ceramic coating. The layer of heat-resistant nickel alloy does not contain refractory elements characteristic of heat-resistant foundry nickel alloys, which, when oxidized, form oxides that loosen and increase the film thickness based on the α-Al 2 O 3 compound, which leads to a decrease in the adhesion of the ceramic coating to the substrate under conditions of frequent heat exchange .
Перед формированием керамического покрытия на поверхность изделия предпочтительно наносить слой никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и, по крайней мере, один редкоземельный металл. В процессе эксплуатации при высоких температурах сплавы этой системы в связи с изменением их элементного состава сохраняют на поверхности пленку на основе соединения α-Al2O3 в широком диапазоне изменения концентрации Аl в слое жаростойкого Ni сплава.Before forming the ceramic coating, it is preferable to apply a layer of a nickel alloy containing aluminum, chromium and at least one rare earth metal to the surface of the product. During operation at high temperatures, the alloys of this system, due to a change in their elemental composition, retain on the surface a film based on the α-Al 2 O 3 compound in a wide range of Al concentrations in the layer of heat-resistant Ni alloy.
Примеры осуществленияExamples of implementation
Пример 1. На плоские образцы из жаропрочного никелевого сплава типа ЖС36 (сплав системы Ni-W-Co-Al-Cr-Nb-Mo-Ti-Re) наносили жаростойкое покрытие из никелевого сплава, содержащего алюминий, хром и редкоземельный металл иттрий на установке МАП-2 с использованием сплавов СДП-2 и ВСДП-18 при токах разряда вакуумной дуги 500-700 А и электрических потенциалах подложки 10-300 В по серийной технологии ФГУП «ВИАМ».Example 1. On flat samples of heat-resistant nickel alloy type ZhS36 (alloy system Ni-W-Co-Al-Cr-Nb-Mo-Ti-Re) a heat-resistant coating of nickel alloy containing aluminum, chromium and rare-earth metal yttrium was applied MAP-2 using alloys SDP-2 and VSDP-18 at discharge currents of a vacuum arc of 500-700 A and electric potentials of a substrate of 10-300 V according to the serial technology of FSUE VIAM.
Керамическое покрытие наносили на установке УОКС-2 в две стадии. Изделия размещали в камере распыления установки, содержащей по крайней мере две мишени из сплава Zr-Y(6-8)%. Питание магнетронных испарителей осуществляли от инверторного источника тока с рабочим напряжением до 600 В, током до 30 А с использованием дуального электрического ключа, переключающего полярность питающего напряжения на распыляемых мишенях с частотой до 40 кГц.The ceramic coating was applied on the UOKS-2 installation in two stages. The products were placed in the spray chamber of the installation containing at least two Zr-Y alloy targets (6-8)%. Magnetron evaporators were powered from an inverter current source with an operating voltage of up to 600 V, current of up to 30 A using a dual electric switch that switches the polarity of the supply voltage on sputtered targets with a frequency of up to 40 kHz.
Для обработки поверхности детали пучком ионов инертного газа аргона с энергией ионов 500-2500 эВ использовали ускоритель холловского типа с замкнутым дрейфом электронов с предельными параметрами разряда - 3000 В, 5 А.To process the surface of the part with an argon inert gas ion beam with an ion energy of 500–2500 eV, we used a Hall type accelerator with a closed electron drift with the limiting discharge parameters of 3000 V, 5 A.
После вакуумирования камеры установки в рабочий объем подавали смесь кислорода с аргоном и на первой стадии проводили нагрев образцов радиационным способом при одновременной обработке поверхности образцов пучком ускоренных ионов аргона с энергией 500 эВ. По достижении температуры поверхности образцов 500°С переходили ко второй стадии процесса, начиная магнетронное распыление мишеней и нанесение керамического покрытия, со скоростью до 20 мкм/ч при напряжении разряда 480 В и токе 22 А, совмещенное с обработкой поверхности образцов пучком ускоренных ионов аргона с энергией 500 эВ. После нанесения керамического покрытия толщиной 20 мкм процесс прерывался. Затем образцы с теплозащитным покрытием подвергали термообработке - отжигали в печи с резистивным нагревом при температуре 1000°С в течение 4 ч.After evacuating the setup chamber, a mixture of oxygen and argon was supplied to the working volume, and, at the first stage, the samples were heated by the radiation method while the surface of the samples was treated with a beam of accelerated argon ions with an energy of 500 eV. When the surface temperature of the samples reached 500 ° C, they proceeded to the second stage of the process, starting magnetron sputtering of the targets and applying the ceramic coating, at a speed of up to 20 μm / h at a discharge voltage of 480 V and a current of 22 A, combined with processing of the surface of the samples with a beam of accelerated argon ions energy of 500 eV. After applying a ceramic coating with a thickness of 20 μm, the process was interrupted. Then, samples with a heat-protective coating were subjected to heat treatment — they were annealed in a furnace with resistive heating at a temperature of 1000 ° С for 4 h.
Для определения термостойкости керамического покрытия были проведены термоциклические испытания образцов. Цикл включал в себя выдержку образцов при температуре 1100°С в течение 55 мин и охлаждение в течение 5 мин в струе сухого сжатого воздуха при давлении 0,2 МПа до комнатной температуры. После каждых 20 циклов испытаний проводили визуальный осмотр состояния поверхности образцов с ТЗП. При скалывании с поверхности 30% керамического покрытия образец снимали с испытаний.To determine the thermal stability of the ceramic coating, thermocyclic tests of the samples were carried out. The cycle included holding samples at a temperature of 1100 ° C for 55 min and cooling for 5 min in a stream of dry compressed air at a pressure of 0.2 MPa to room temperature. After every 20 test cycles, a visual inspection of the surface condition of samples with a thermal conductivity was performed. When cleaving 30% of the ceramic coating from the surface, the sample was removed from the tests.
Определение величины теплозащитного эффекта проводили в лабораторной установке на базе нагревательной электропечи. Плоский образец устанавливали в специальной диафрагме, замурованной в стенке печи таким образом, что поверхность с керамическим покрытием располагалась внутри муфеля печи. Внешнюю поверхность образца без покрытия, расположенную вне печи, обдували сжатым воздухом давлением 0,2 МПа. Теплозащитный эффект определяли сразу после установки образца на испытания - ΔT1 и через 50 ч выдержки образца - ΔТ2, как разность температур между нагреваемой и охлаждаемой поверхностями образца при температуре нагрева печи 1150°СThe value of the heat-shielding effect was determined in a laboratory setup based on a heating electric furnace. A flat sample was installed in a special diaphragm walled in the furnace wall so that the ceramic coated surface was located inside the furnace muffle. The outer surface of the uncoated sample located outside the furnace was blown with compressed air at a pressure of 0.2 MPa. The heat-shielding effect was determined immediately after the installation of the sample for testing - ΔT 1 and after 50 h of exposure of the sample - ΔT 2 , as the temperature difference between the heated and cooled surfaces of the sample at a furnace heating temperature of 1150 ° C
Пример 2, 3 аналогичны примеру 1, но температура поверхности образцов составляла 900 и 1000°С, а обработку поверхности образцов проводили пучком ускоренных ионов аргона с энергией 1500 и 2500 эВ.Examples 2, 3 are similar to example 1, but the surface temperature of the samples was 900 and 1000 ° C, and the surface treatment of the samples was carried out by a beam of accelerated argon ions with energies of 1500 and 2500 eV.
Пример 3. Пример аналогичен примерам 1 и 2, но температура поверхности образцов составляла 1000°С, а обработку поверхности образцов проводили пучком ускоренных ионов аргона с энергией 2500 эВ.Example 3. The example is similar to examples 1 and 2, but the surface temperature of the samples was 1000 ° C, and the surface treatment of the samples was carried out by a beam of accelerated argon ions with an energy of 2500 eV.
Пример 4 был выполнен по способу прототипа.Example 4 was performed by the method of the prototype.
Результаты испытаний на термостойкость и определения теплозащитного эффекта от применения ТЗП, нанесенных в соответствии с предлагаемым способом и способом прототипа, представлены в таблице.The test results for heat resistance and determine the heat-shielding effect from the use of thermal protection products applied in accordance with the proposed method and the prototype method are presented in the table.
Как видно из таблицы, при нанесении керамического покрытия на поверхность образцов в соответствии с предлагаемым способом термостойкость керамического покрытия к скалыванию повышается в 1,4-1,7 раз в сравнении с прототипом. А снижение величины теплозащитного эффекта не превышает 10-15%, в то время как для прототипа составляет более 40%. Аналогичные результаты были получены на образцах из сплавов ЖС32, ЖС6У, ЖС26.As can be seen from the table, when applying a ceramic coating to the surface of the samples in accordance with the proposed method, the thermal resistance of the ceramic coating to chipping increases 1.4-1.7 times in comparison with the prototype. And the decrease in the value of the heat-shielding effect does not exceed 10-15%, while for the prototype it is more than 40%. Similar results were obtained on samples from alloys ZhS32, ZhS6U, ZhS26.
Применение изобретения в производстве рабочих лопаток турбин позволит увеличить ресурс работы турбин высокого давления ГТД различного назначения в 1,5-2 раз, а также снизить трудоемкость технологического процесса нанесения теплозащитных покрытий.The use of the invention in the production of turbine blades will increase the service life of high-pressure turbines of gas turbine engines for various purposes by 1.5-2 times, as well as reduce the complexity of the process of applying thermal insulation coatings.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009113263/02A RU2409701C2 (en) | 2009-04-09 | 2009-04-09 | Procedure for application of ceramic coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009113263/02A RU2409701C2 (en) | 2009-04-09 | 2009-04-09 | Procedure for application of ceramic coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009113263A RU2009113263A (en) | 2010-10-20 |
| RU2409701C2 true RU2409701C2 (en) | 2011-01-20 |
Family
ID=44023590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009113263/02A RU2409701C2 (en) | 2009-04-09 | 2009-04-09 | Procedure for application of ceramic coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2409701C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591932C1 (en) * | 2015-06-10 | 2016-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of wear-resistant coating producing |
| RU2600783C1 (en) * | 2015-06-10 | 2016-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for application of ceramic layer of heat shielding coating |
| RU2748342C2 (en) * | 2016-07-14 | 2021-05-24 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон | Protective coating for thermally loaded structures |
-
2009
- 2009-04-09 RU RU2009113263/02A patent/RU2409701C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591932C1 (en) * | 2015-06-10 | 2016-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of wear-resistant coating producing |
| RU2600783C1 (en) * | 2015-06-10 | 2016-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for application of ceramic layer of heat shielding coating |
| RU2748342C2 (en) * | 2016-07-14 | 2021-05-24 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон | Protective coating for thermally loaded structures |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009113263A (en) | 2010-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5324029B2 (en) | Ceramic coating for semiconductor processing equipment | |
| CN103789715A (en) | Anti-oxidization thermal barrier coating material with long service life and preparation method thereof | |
| CN103789713A (en) | Anti-oxidation MCrAlY fine-grain protective coating material and preparation method thereof | |
| JP6929716B2 (en) | Yttrium oxyfluoride sprayed film, its manufacturing method, and sprayed members | |
| CN102719782A (en) | A Treatment Method for Improving Oxidation Resistance of Bonding Layer of Thermal Barrier Coatings | |
| US6770333B2 (en) | Method of controlling temperature during coating deposition by EBPVD | |
| RU2409701C2 (en) | Procedure for application of ceramic coating | |
| CN101294284A (en) | A Plasma Surface Composite Strengthening Method for Erosion Resistance and Fatigue Resistance | |
| CN101158041A (en) | Method for forming ZrO2 ceramic composite material on metal surface | |
| RU2554828C2 (en) | Application of protective coating on steel article surface | |
| CN110306148B (en) | Method for preparing aluminum-based amorphous layer by combined thermal spraying and electron beam remelting technology | |
| RU2549813C1 (en) | Fabrication of refractory nanocomposite coating of surface of refractory nickel alloys | |
| RU2308537C1 (en) | Method of working surface of metallic article | |
| Park et al. | Effects of the laser treatment and thermal oxidation behavior of CoNiCrAlY/ZrO2–8 wt% Y2O3 thermal barrier coating | |
| CN105463382B (en) | A kind of coating and preparation method thereof improving TiAl alloy oxidation drag | |
| KR20110027367A (en) | Thermal barrier coating layer using metal ion implantation method and manufacturing method thereof | |
| CN110923636B (en) | Electron beam composite plasma alloying treatment method on the surface of γ-TiAl alloy | |
| RU2415199C1 (en) | Procedure for application of coating | |
| RU2600783C1 (en) | Method for application of ceramic layer of heat shielding coating | |
| RU2515714C1 (en) | Method of nanocomposite coating application onto steel article surface | |
| RU89103U1 (en) | ARC EVAPORATOR DEVICE | |
| RU2165474C2 (en) | Method of metal article surface treatment | |
| RU2445407C1 (en) | Method of applying ionic-plasma coating on articles from titanium alloys | |
| RU2556248C1 (en) | Material of ceramic layer of heat protecting coating | |
| CN103074570A (en) | Treatment process for improving high-temperature, salt and corrosion resisting performance of hot spraying coating |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110410 |