Спосіб попереднього нагрівання деталі перед нанесенням керамічного покриття (варіанти)

Цей винахід відноситься до нанесення покриттів на основи або на основи, які мають покриття, що містить алюміній. Зокрема, цей винахід відноситься до керованого нанесення тонких оксидних шарів, вирощених термічним способом. Термобар’єрні покриття стали широко застосовуватися в газотурбінних двигунах. До типу термобар'єрних покриттів з найтривалішим терміном служби відноситься покриття, одержуване шляхом конденсації з отриманої за допомогою електронного променя парової фази (КЕППФ), яке складається з основи, зв'язувального покриття на основі і колончастого зернистого керамічного матеріалу, зціпленого зі зв'язувальним покриттям (зв'язувальне покриття може бути відсутнім в деяких випадках, тому в подальшому термін "зв'язувальне покриття" буде використовуватися як для власне зв'язувального покриття, так і для основи, якщо зв'язувальне покриття буде відсутнє). Зціплення керамічного покриття зі зв'язувальним покриттям є принциповим; воно забезпечується шляхом створення тонкого проміжного шару з термічно вирощеного оксиду (ТВО) (який складається по суті з оксиду алюмінію) на поверхні зв'язувального покриття перед нанесенням верхнього керамічного покриття. Цей процес описано і продемонстровано, наприклад, в патентах США № 4405659 і № 5514482. Зміст цих патентів включено в цей опис шляхом посилання. Патент США № 5262245 описує суперсплав, на який може бути нанесено покриття, одержуване шляхом конденсації з отриманої за допомогою електронного променя парової фази, з більшим терміном служби, при цьому воно не вимагає зв'язувального шару. Цей суперсплав містить алюміній і при нагріванні утворює термічно вирощений оксидний шар. Встановили, що товщина шару ТВО є суттєвим фактором для терміну служби покриття. Шар ТВО з надмірною товщиною (біля 10мкм) звичайно не сприяє збільшенню терміну служби керамічних покриттів. Процес КЕППФ здійснюється в умовах відносно високого вакууму. Шар ТВО формується шляхом термічного окиснення. Зараз стадія вирощування ТВО здійснюється шляхом нагрівання деталі у вакуумному середовищі звичайно при тиску менш 10-2 Торр (1,33Па). На цій стадії кисень, що натікає у вакуумну систему, взаємодіє з деталлю, утворюючи шар ТВО. Відомий також процес керованого напускання кисню або повітря в камеру. Стадія вирощування ТВО звичайно здійснюється як частина циклу попереднього нагрівання, що застосовується для нагрівання основи до температури, необхідної для осадження керамічного шару. Швидкість зростання ТВО залежить від концентрації кисню біля деталі у вакуумній камері, активності алюмінію в зв'язувальному покритті, часу і температури. Рост ТВО триває і під час нанесення керамічного шару, і цього не можна уникнути. Труднощі виникали з шарами ТВО надмірної товщини у випадках, коли зв'язувальне покриття має особливо високу активність алюмінію, при якій швидкість росту шару ТВО висока, а також у випадках, коли великий розмір деталі (висока термічна маса) збільшує термін нагрівання в декілька разів, в результаті чого формується надмірно товстий шар ТВО. В патентах США № 4405659, № 4676994 і № 5538796 описано способи отримання шарів ТВО. В патенті США № 5087477 описано спосіб гарантованого досягнення стехіометрії оксидного керамічного ізоляційного шару шляхом введення кисню в камеру, яка частково оточує деталь, на яку наноситься покриття. В патенті США № 4880614 описано процес подачі кисню, при якому не використовується камера, що оточує деталь. В патентах США № 4405659, № 5538796 і № 5514482 описано нанесення і застосування зв'язувальних покриттів з MCrAlY і дифузійних алюмінідних зв'язувальних покриттів. В патенті США № 5262245 описано сплав, на який може бути нанесено керамічне покриття, що не вимагає окремого зв'язувального покриття. В першому аспекті цим винаходом пропонується спосіб нагрівання деталі у вакуумному середовищі, що містить: нагрівання вищезгаданої деталі під час одночасної подачі газу, вибраного з групи, що містить інертні і нереакційноздатні гази та їхні суміші, в область, що безпосередньо оточує деталь, і витримку деталі у вакуумному середовищі; при цьому зменшується окиснення вищезгаданої деталі завдяки кисню у вищезгаданому вакуумному середовищі. В другому аспекті цим винаходом пропонується спосіб попереднього нагрівання деталі газової турбіни у вакуумному середовищі перед нанесенням керамічного покриття, при цьому вищезгадана деталь газової турбіни має зовнішню поверхню, яка містить алюміній. Спосіб передбачає: введення газу, вибраного з групи, що містить Аr, Не, N, Н, Хе, Кr та їхні суміші, в область, що безпосередньо оточує деталь, для зменшення швидкості утворення оксиду алюмінію під час попереднього нагрівання. В третьому аспекті цим винаходом пропонується пристрій для нанесення керамічного покриття на основу шляхом КЕППФ, тип якого включає: вакуумну камеру, засоби для створення вакууму у вищезгаданій камері та засобу для попереднього нагрівання вищезгаданої основи перед нанесенням вищезгаданого покриття; причому пристрій має засоби для введення газу, вибраного з групи, що містить інертні і нереакційноздатні гази та їхні суміші, в область, що оточує основу, під час стадії попереднього нагрівання перед нанесенням керамічного покриття. У відповідності з переважними варіантами здійснення цього винаходу деталь, на яку необхідно нанести покриття, витримують у вакуумі при менше ніж 10-2Торр (1,33Па) під час процесу попереднього нагрівання. Це значення вакууму відноситься до вакууму у всьому об'ємі камери, в якій наноситься покриття. Якусь кількість інертного газу постійно подають в камеру переважно безпосередньо біля деталі під час процесу попереднього нагрівання і особливо під час попереднього нагрівання від температури вище 1000F° (538С°), і переважно вище 1200F° (649С°), і до температури розігріву основи, необхідної для нанесення покриття, що, як правило, досягає біля 1600-1900F° (871 - 1038С°). Значне зростання шару ТВО не відбувається при температурі нижче 1000F° (538С°) і, як правило, нижче 1200F° (649С°). Газ може бути інертним, таким як аргон, гелій, ксенон, криптон та їм подібним або сумішшю цих газів, або ж може бути нереакційноздатним відносно деталі, на яку необхідно нанести покриття, в умовах попереднього нагрівання, наприклад, воднем і азотом та їхніми сумішами. Теоретично азот може викликати утворення нітридних фаз в деяких сплавах, але цього не можна з певністю передбачити для основ з суперсплавів і зв'язувальних покриттів, що використовуються для застосування в газотурбінних двигунах. Відомо, що водень підвищує в деяких сплавах крихкість, але знов не можна передбачити, що це відбудеться в ситуації з термобар'єрним покриттям (ТБП). Хоча перевага віддається використанню аргону, у кваліфікованого практика не виникне утруднень при оцінці та виборі відповідного газу. Можна також використати суміші з інертних і нереакційноздатних газів. Згідно винаходу деталь оточена хмарою інертного або неокиснювального газу, який понижає кисневий рівень поблизу деталі, і завдяки цьому понижає швидкість росту ТВО. Слід відзначити, що задачею є пониження та управління швидкістю росту ТВО (і, в кінцевому підсумку, контролювання товщини ТВО), а не цілковите усунення окиснення, бо шар ТВО є необхідним атрибутом деталі перед нанесенням на неї верхнього керамічного покриття. Конкретні варіанти здійснення винаходу будуть зараз описані лише на прикладах. В патенті США № 5087477 описано введення кисню під час нанесення верхнього керамічного покриття шляхом КЕППФ. Фігура 1 цього патенту показує оболонку, яка частково оточує деталь і яка взаємозв'язана з системою газопроводу для доставки кисню під час нанесення керамічного покриття. Оболонка служить для збільшення парціального тиску кисню (активності кисню) навколишнього середовища, що безпосередньо оточує деталь, на яку наноситься покриття. Введення кисню застосовується під час нанесення керамічного шару для того, щоб оксид, що осаджується, містив повну кількість кисню, необхідної для досягнення стехіометричного рівня в оксиді, що осаджується. Звичайно в якості оксиду, що осаджується, використовується діоксид цирконію, стабілізований оксидом ітрію. Без такого кисневого додатку виникає тенденція до дефіциту кисню в діоксиді цирконію. Ріст ТВО триває під час нанесення керамічного покриття, кисень звичайно вводиться під час осадження кераміки і звичайно надходить з кераміки, що відокремилась. Щодо кисню відомо також, що повітря вводять в камеру у вигляді окиснювального газу. Патент США № 4880614 ілюструє подібний підхід, який описаний в патенті США № 5087477. Він полягає в використанні однієї або більш насадок для направленої подачі кисню на деталь під час нанесення покриття. При цьому не використовується оболонка, що оточує деталь. Суттю заявленого винаходу є введення інертного або нереакційноздатного газу в область, що оточує деталь, з використанням, наприклад, того ж типу газопроводу і оболонки, що і в патенті США № 5087477, або насадок такого ж типу, що і в патенті США № 4880614. Ми встановили, що використання інертного або неокиснювального газу в зіставній кількості або в більшій кількості у порівнянні з кількістю кисню, що пізніше осаджується в циклі, є достатнім для того, щоб істотно зменшити швидкість росту ТВО під час циклу попереднього нагрівання. Спеціалісти в даній області усвідомлюють труднощі, пов'язані з вибором значень параметрів, бо процес частково залежить від технічних характеристик обладнання та характеристик основи, на яку необхідно нанести покриття. Швидкість росту ТВО залежить від температури деталі, тривалості циклу попереднього нагрівання, активності алюмінію на поверхні та від активності кисню в камері. Час і температура під час циклу попереднього нагрівання впливає на ріст шару ТВО: чим більший час і вище температура, тим більша товщина шару ТВО, а чим крупніші деталі, тим довше їх нагрівати, і, отже, тим більша товщина шару ТВО. Отже, кваліфікований практик повинен збалансувати ці фактори обладнання, природу зв'язувального покриття, якщо воно є, масу деталі і час попереднього нагрівання (і температуру) для того, щоб в результаті процесу формувався шар ТВО необхідної товщини, як правило, біля 1мкм. В одному з переважних варіантів здійснення винаходу використовується кількість подаваного кисню в хвилину, приблизно рівну 0,4х10-3 х об'єм камери, в якій здійснюють покриття. В якості більш розширеної інструкції слідує використати кількість подаваного кисню в хвилину, рівну 10-4–10-2 від об'єму камери. При цьому потік кисню вимірюється при стандартних тиску і температурі (760мм Hg і 25С°). Активність алюмінію на поверхні деталі залежить від складу поверхні, і ми виявили, що зв'язувальні покриття алюмінідного типу, як правило, мають більш високу швидкість росту ТВО в порівнянні зі зв'язувальними покриттями з MCrAlY. Активністю кисню в камері управляють шляхом конкуренції між швидкістю натікання кисню з зовнішньої атмосфери (повітря) в камеру в поєднанні з киснем, що може бути адсорбований або затриманий в камері, і швидкістю відкачування вакуумної системи, що використовується для підтримання вакууму. Деякий ступінь натікання неминучий, але його слідує звести до мінімуму. Отже, ці параметри обладнання, швидкість натікання та ефективність відкачування в значній мірі контролюють активність кисню. Крім того, існують різноманітні типи пристроїв для КЕППФ. Перевага віддається виробничому пристрою, що має одну камеру, в якій послідовно здійснюються стадії попереднього нагрівання та стадії нанесення покриття. В системі цього типу попереднє нагрівання, як правило, здійснюється з використанням тієї ж системи створення електронного променя, що потім використовується для випарювання кераміки. Під час процесу попереднього нагрівання електронний промінь використовується для того, щоб безпосередньо або не направлено здійснювати попереднє нагрівання деталі. В пристрої такого типу, де попереднє нагрівання здійснюється в тій же камері, в якій відбувається згодом осадження керамічного покриття, після деякого періоду використання стінки камери покриваються керамікою. Це покриття є пористим з сильно розвиненою поверхнею. Це покриття з пористою сильно розвиненою поверхнею може містити істотну кількість адсорбованого кисню та водяного пару, що будуть поволі виділятися під час процесу попереднього нагрівання, і завдяки цьому буде постачатися кисень, який може викликати надмірний ріст ТВО. Другий основний тип обладнання для нанесення покриття використовує окрему камеру попереднього нагрівання, яка звичайно є камерою попереднього нагрівання, в якій деталь нагрівається радіаційними електричними нагрівниками. Нанесення покриття здійснюється в окремій камері. Отже, стінки камери попереднього нагрівання не покриваються керамікою. В пристрої цього типу менша імовірність виникнення надмірного росту ТВО, тому що кількість кисню, адсорбованого в камері попереднього нагрівання, менша в порівнянні з описаною вище системою з однією камерою. Проте, навіть в системі з декількома камерами з окремим попереднім нагріванням можуть виникати такі обставини, при яких бажано використати інертний газ або неокиснювальний газ для управління швидкістю росту ТВО, і товщина шару ТВО може бути заздалегідь заданою. Винахід включає оточення деталі інертним газом або нереакційноздатним газом в кількості, достатній для уповільнення, зменшення і управління швидкістю росту шару ТВО. Слідує відзначити, що навіть інертні гази, такі як аргон і гелій, і неокиснювальні гази, такі як азот і водень, звичайно містять домішки, такі як водяний пар, що можуть стати причиною окиснення. Отже, кваліфікований практик зустрінеться з необхідністю вимірювати вміст водяного пару в інертному або неокиснювальному газі, що використається, і коефіцієнт водяного пару для того, щоб за час всього циклу попереднього нагрівання отримати необхідну товщину шару ТВО. Ми успішно використали аргон, що має точку роси між -30 і -50F° (-34 і -46С°). Проте, при інших обставинах може бути потрібною інша точка роси. Цей винахід можна краще зрозуміти, розглянувши наступні ілюстративні приклади. Приклад I Невелику лопать газової турбіни, що має довжину біля 4 дюймів (100мм) і вагу біля 3 унцій (85г), необхідно було покрити термобар'єрним покриттям з використанням алюмінідного зв'язувального покриття. Використання алюмінідного зв'язувального покриття для термобар'єрних покриттів описано в патентах США № 5403669 і № 5514482. Пристрій для нанесення покриття мав одну камеру. її внутрішній об'єм дорівнював приблизно 1,4м3, а швидкість натікання - приблизно 8-30мкм в годину (вакуумні насоси не відкачують повітря з камери). Після застосування системи термобар'єрного покриття у вакуумній системі з однією камерою, де робочий тиск в камері був менш 10-2Торр (1,33Па), а час попереднього нагрівання від біля 1200F° (649С°) до біля 1600F° (871C°) дорівнював 13 хвилинам, в поєднанні з часом циклу нанесення керамічного покриття (протягом 42 хвилин відбувається ріст ТВО), виявили, що товщина шару ТВО дорівнювала 2,5-5,0мкм, а зціплення зовнішнього оксидного керамічного шару (діоксид цирконію, стабілізований 8% оксидом ітрію) в основному не відбулося, і він відколювався після охолодження. Приклад II В прикладі II використовувалося те ж саме обладнання, лопать, робочі параметри і зв'язувальне покриття, що й в прикладі І, за тим винятком, що під час процесу попереднього нагрівання, що розпочинався при температурі нижче біля 1200F° (649С°), 554 sссm в хвилину аргону, який мав точку роси в діапазоні від -30 до 50F° (від-34 до -46С°), подавали в область біля деталі з використанням оболонки, яка оточувала деталь, як описано в патенті США № 5087477. Після завершення попереднього нагрівання з аргоном і часу циклу нанесення покриття, який дорівнював 42 хвилинам, шар ТВО мав товщину 0,5-2,0мкм, і оксидний колончастий шар на основі діоксиду цирконію повністю зціпився і мав тривалий термін служби. Приклад III Те ж обладнання і робочі параметри використовувались для осадження термобар'єрного покриття на основі стабілізованого діоксиду цирконію на деталь промислового газотурбінного двигуна, що мала довжину біля 12 дюймів (305мм) і вагу біля 8 фунтів (3,63кг). Час попереднього нагрівання для цієї деталі складав біля 35 хвилин, а час циклу нанесення покриття - біля 50 хвилин, часове вікно повного росту ТВО дорівнювало біля 85 хвилин. Без застосування інертного газу під час попереднього нагрівання товщина шару ТВО дорівнювала від 3,5 до 6мкм, а термін служби термобар'єрного покриття не відповідав вимогам. При подачі аргону біля деталі під час попереднього нагрівання товщина ТВО дорівнювала від 0,7 до 2,2мкм, а термобар'єрне покриття повністю зціпилось і мало тривалий термін служби. Незважаючи на те, що цей винахід описано і продемонстровано на прикладах варіантів його здійснення, для спеціалістів в цій області очевидно, що допустимі різноманітні зміни по формі та деталям, які не відступають від змісту формули цього винаходу.