Спосіб формування на металевій основі захисного алюмінідного покриття, яке містить реакційноздатний елемент, та металева основа, забезпечена захисним покриттям

1. Спосіб формування на металевій основі захисного алюмінідного покриття, яке містить принаймні один реакційноздатний елемент, який відрізняється тим, що він має наступні етапи: нанесення згаданого реакційноздатного елемента на поверхню металевої основи у вигляді порошку оксиду реакційноздатного елемента та наступне формування алюмінідного покриття. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що згадане нанесення на поверхню металевої основи виконують шляхом обмазування сумішшю, яка містить порошок у рідинному середовищі. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що згадане нанесення на поверхню металевої основи виконують шляхом розпилення або набризкування на цю поверхню суміші, яка містить порошок у рідинному середовищі. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що згадане нанесення на поверхню металевої основи виконують шляхом розпилення порошку для його інкрустації на згадану поверхню. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що згадане нанесення порошку на поверхню металевої основи виконують шляхом електрофорезу. 6. Спосіб за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що алюмінідне покриття формують шляхом алюмінування. 2 (19) 1 3 76937 4 тим, що алюмінідне покриття одержане способом тково містить принаймні один метал, вибраний із за будь-яким з пп. 1-14. групи, яка має у своєму складі платину, паладій, 16. Металева основа за п. 15, яка відрізняється родій та рутеній. тим, що захисне покриття додатково містить зов18. Металева основа за будь-яким з пп. 15-17, яка відрізняється тим, що вона виготовлена із супернішнє покриття із кераміки, закріплене на алюмінідному покритті. сплаву і являє собою деталь газової турбіни. 17. Металева основа за будь-яким з пп. 15, 16, яка відрізняється тим, що алюмінідне покриття дода Винахід відноситься до формування на металевій основі захисного покриття типу алюмінідного, яке містить принаймні один реакційноздатний елемент (РЗЕ). Галуззю застосування винаходу є виготовлення та ремонт металевих виробів, які мають бути забезпечені захисним покриттям, оскільки при експлуатації вони піддаються дії підвищених температур і окислювального середовища. Винахід можна застосувати, зокрема, але не виключно, до деталей газових турбін, і особливо до деталей гарячих частин турбореактивних двигунів. З метою оптимізації роботи газових турбін і, зокрема, турбореактивних двигунів, намагаються зробити їх здатними функціонувати при максимально можливо високих температурах. Відкриті для впливу таких температур деталі звичайно виготовлені із жаростійких металевих сплавів або суперсплавів на основі нікелю або кобальту. Для поліпшення їх стійкості при підвищених температурах, зокрема, стійкості до корозії та окислення, відомий спосіб формування захисного покриття на металевій основі із суперсплаву. Серед матеріалів такого захисного покриття в наш час широко використовують покриття типу алюмінідних, які дають можливість створити на їх поверхні захисну плівку із оксиду алюмінію. Алюмінування способом дифузного насичення є технологією формування покрить типу алюмінідних, яку найчастіше використовують. Ця технологія в загальному вигляді полягає в тому, що металеву основу розміщують в закритій формі, яка містить спеціальне середовище, і піддають всю форму дії температури, яка звичайно становить від 900°С до 1150°С. Покриття типу алюмінідних можна використовувати як лише одне покриття або у поєднанні із зовнішнім покриттям, яке утворює тепловий бар'єр, таким як керамічне покриття. В останньому випадку покриття типу алюмінідного є зв'язуючим шаром між основою та зовнішнім покриттям, при цьому присутність плівки оксиду алюмінію, яка утворює адгезійний шар, сприяє зціпленню з зовнішнім покриттям. Для збільшення терміну служби алюмініду як генератора плівки оксиду алюмінію і обмеження її руйнування шляхом відшаровування відомий захід, який полягає у тому, що в покриття типу алюмінідного вводять принаймні один реакційноздатний елемент (РЗЕ), який звичайно вибирають із групи, яка має у своєму складі цирконій, ітрій, гаф ній та лантаноїди. Такий РЗЕ підсилює дію бар'єру дифузії по відношенню до елементів металевої підложки, які можуть впливати на плівку оксиду алюмінію, і за рахунок цього РЗЕ сприяє її цілісності та довговічності. Присутність РЗЕ виявляється у зниженні швидкості окислення металевої основи і в запобіганні вкрай не бажаного виділення сірки на поверхні межі з зовнішнім керамічним покриттям. Відомі різні способи формування покриття типу алюмінідного, яке містить РЗЕ. Відомий спосіб першого типу полягає в тому, що РЗЕ сплавляють або зв'язують окремо з одним або декількома компонентами покриття, а потім покриття формують шляхом фізичного осадження на металеву основу. Так, наприклад, можна послатися на [патент США №4055705], в якому описано формування зв'язуючого шару за допомогою плазмового напилення, випалу або іншої фізичної технології осадження NiCrAIY. Можна також послатися на [патентний документ Франції №9615257], в якому описано осадження на металеву основу порошку сплаву MCrAlY (де Μ є Ni і/або Co і/або Fe) способом електрофорезу або шляхом фарбування із зв'язуючою речовиною, яка руйнується при тепловій обробці або є летючою. Слідом за цим проводять електролітичне осадження сплаву, який містить метал групи платини, перед термічною обробкою і, при необхідності, алюмінуванням. Можна далі послатися на [патент США №5824423], згідно з яким передбачено первісне осадження РЗЕ на металеву основу шляхом фізичного осадження із газової фази з наступним алюмінуванням. В документі зазначено переважне формування зв'язуючого шару шляхом плазмового напилення заздалегідь сплавленого порошку MAIY (де Μ є Ni і/або Co і/або Fe). Відомі способи цього типу потребують додаткового етапу додавання РЗЕ у сплав, що може потребувати значних затрат. В [патентних документах СРСР №№1527320 і 541896] описано нанесення на поверхню металевої основи суспензії, яка містить порошок алюмінію і цирконію і зв'язуючої речовини, такої як розчин лаку, для одержання захисного покриття після висушування і термообробки. Але операції з такими елементами, як цирконій в незв'язаній формі, вимагають великої обережності із-за високого ризику його спонтанної реакції з повітрям. Відомі способи другого типу полягають у фор 5 76937 6 муванні алюмінієвого покриття, яке містить РЗЕ, тя, що не було можливим у відомих способах з шляхом хімічного осадження із газової фази. В подачею РЗЕ із газової фази або при введенні [патенті США №5503874] описано спосіб почергоРЗЕ в дифузійне середовище. вого нанесення шару алюмінію і шару оксиду меПокриття типу алюмінідного можна сформуваталу, такого як оксид ітрію, цирконію, хрому або ти за допомогою алюмінування після нанесення гафнію, із металоорганічних попередників. РЗЕ на поверхню основи. При цьому не потрібно Термообробка забезпечує відновлення оксиду ніякої модифікації відомого процесу алюмінування, за допомогою алюмінію. Можна навести як прикза виключенням його тривалості у деяких випадлад також [патент США №5989733], в якому опиках, що є ще однією перевагою способу за винасано формування покриття за допомогою хімічного ходом. осадження із газової фази елементів АІ, Si, Hf, і, за У варіанті здійснення винаходу можна формунеобхідності, Zr або іншого РЗЕ, з попереднім або вати покриття типу алюмінідного шляхом осанаступним електролітичним осадженням Pt для дження компонентів покриття після нанесення РЗЕ одержання зміненого алюмініду нікелю. на поверхню основи і наступної термообробки для Ці способи відомих типів потребують використого, щоб спричинити реакцію компонентів між тання пристрою для хімічного осадження із газової собою. фази, що пов'язано з високими первісними і ексВ іншому варіанті на поверхню металевої осплуатаційними затратами. нови додатково наносять принаймні алюміній у У відомих способах третього типу використопорошковому стані і формують покриття типу вують технологію алюмінування, але з її модифіалюмінідного шляхом термообробки. РЗЕ і алюмікацією за допомогою введення РЗЕ у дифузійне ній можна подавати на поверхню основи шляхом середовище. Так, в [патентному документі Франції обмазування або розпилення рідкої суміші, яка №2511396] запропоновано використання дифузіймістить порошок оксиду РЗЕ, порошок алюмінію та ного середовища, яке містить алюміній, алюмінієзв'язуючу речовину. При цьому обмазування або вий сплав, активуючу сіль та РЗЕ. розпилення в оптимальному варіанті проводять у Завдання, на вирішення якого спрямований декілька шарів з накладанням їх один на одного даний винахід, полягає у створенні способу, який для одержання товщини у функції бажаної товщидає можливість простим і економним шляхом фони покриття типу алюмінідного. рмувати на металевій основі покриття типу алюміЗгідно з ще одним варіантом винаходу на понідного, яке містить принаймні один РЗЕ. верхню основи додатково наносять принаймні Відповідно до винаходу вирішення поставлеодин метал, вибраний із групи, до складу якої вхоного завдання досягають у способі, який має у дять платина, паладій, родій і рутеній. своєму складі такі етапи: Покриття типу алюмінідного, сформоване спозгаданий РЗЕ наносять на поверхню металесобом за винаходом, можна використовувати як вої основи у вигляді порошку оксиду РЗЕ, і єдине самостійне або як підстилаючий шар для потім формують покриття типу алюмінідного. теплового бар'єру. У цьому випадку формують Нанесення РЗЕ у вигляді порошку оксиду РЗЕ зовнішнє покриття із кераміки, яке закріплюють на дає можливість уникнути труднощів виконання плівці оксиду алюмінію, що утворюється на межуоперацій з порошком РЗЕ. ючій поверхні між покриттям типу алюмінідного і Нанесення РЗЕ на поверхню металевої оснозовнішнім керамічним покриттям. ви можна здійснити шляхом обмазування сумішПредметом винаходу є також металеві основи, шю, яка містить порошок, змішаний з рідиною, або а саме, деталі газової турбіни, які виготовлені із розпиленням (набризкуванням) такої суміші, або ж суперсплаву і забезпечені покриттями типу алюмішляхом розпилення порошку для його інкрустації нідних, одержаними згаданим вище способом. на поверхню, а також шляхом електрофорезу. Далі будуть детально описані приклади здійсСпосіб згідно з винаходом має ту вигідну осонення даного винаходу, які мають ілюстративний бливість, що, незважаючи на нанесення РЗЕ в характер і не є обмежувальними. порошковому стані, одержують покриття типу Спосіб згідно з винаходом призначений, зокалюмінідного, яке має мікроструктуру і ефективрема, але не виключно, для формування захисних ність, які можна зіставляти з характеристиками покриттів типу алюмінідних на основах з металу аналогічних покрить, одержаних за допомогою або суперсплаву, а саме, суперсплаву на основі відомих способів. В той же час сам технологічний нікелю або кобальту. Такими металевими основапроцес способу має важливі переваги. ми є деталі газових турбін, і особливо деталі турПерш за все, здійснення способу не потребує бореактивних двигунів. застосування дорогого у виготовленні і експлуатаЗгідно з відмітною особливістю винаходу приції обладнання. наймні один РЗЕ, який має бути присутнім в покКрім того, РЗЕ проникає упритул до металевої ритті типу алюмінідного, наносять на поверхню основи, що оптимізує співвідношення між масою основи у вигляді порошку оксиду РЗЕ заздалегідь затраченого РЗЕ і ступенем легування одержаного перед формуванням покриття. покриття. РЗЕ вибирають переважно із таких елементів, Крім того, можна точно контролювати витрати як цирконій, ітрій, гафній і лантаноїди. поданого РЗЕ, при цьому в дуже широкому діапаНанесення РЗЕ у вигляді порошку оксиду дає зоні. можливість уникнути труднощів операцій з цими У доповнення до цього спосіб дає можливість РЗЕ в умовах контакту з повітрям. подавати РЗЕ в локалізовані зони поверхні осноДля нанесення порошку оксиду на поверхню ви, наприклад, в цілях ремонту захисного покритоснови можна використовувати різні прості техно 7 76937 8 логічні способи. в смолі, вона швидко розкладається галогенідами, Перша технологія полягає в приготуванні суякі формуються активатором і теплом. міші, яка містить порошок і рідину, і в обмазуванні Між галогенідами, дифузійним середовищем, цією сумішшю поверхні металевої основи або вибоксидом РЗЕ та металевим сплавом основи відбураної частини цієї поверхні. Як рідину можна виковаються термохімічні реакції, які створюють можристовувати, наприклад, смолу, у відомих випадливість формування алюмінідного покриття і з диках з додаванням розчинника. Ця рідина, у відомих сперсією РЗЕ всередині сформованого випадках після полімеризації смоли, дає можлиалюмінідного покриття. На металевій основі із сувість закріпити порошок на поверхні. Обмазування персплаву на основі нікелю одержують алюмінід можна здійснювати відомим способом за допомонікелю, який містить РЗЕ. гою щітки. Для формування покриття типу алюмінідного В іншому варіанті здійснення винаходу суміш, можна використовувати інші способи, крім алітуяка містить порошок і рідину, можна наносити на вання. Так, наприклад, можна нанести на основу поверхню або вибрану частину поверхні шляхом компоненти бажаного покриття за допомогою спонабризкування або розпилення. собів фізичного осадження із газової фази, таких Інша технологія, яку можна застосувати, поляяк катодне або плазмове напилення, або ж за догає в розпиленні одного порошку на поверхню або помогою способів хімічного осадження із газової вибрану частину поверхні підложки. Розпилення фази з використанням газових попередників. Ці здійснюють шляхом передачі часткам порошку способи відомі самі по собі. Для прикладу можна достатньої енергії для їх інкрустування на поверхні навести [патентні документи Великобританії основи. №2005729, США №5741604 і №5494704]. НанеЩе одна можлива технологія полягає в осасення компонентів можна проводити шарами з дженні порошку на поверхню основи способом почерговим накладанням шарів. Термообробка електрофорезу. Ця технологія сама по собі відома, дає можливість одержати бажаний алюмінід з моїї короткий опис подано у згаданому вище [патентжливим відновленням оксиду, заздалегідь нанесеному документі Франції №9615257]. ного на поверхню основи, і дисперсією в покритті Слід зазначити, що перед нанесенням порошвивільненого РЗЕ. ку оксиду на поверхню основи може знадобитись Згідно з ще одним варіантом здійснення винапервинний етап способу, який полягає у формуходу проводять спільне осадження порошку РЗЕ і ванні на поверхні основи покриття із дорогоцінного порошку алюмінію на поверхню металевої основи. металу, вибраного серед таких металів, як платиОсадження можна виконати способом обмазуна, паладій, родій і рутеній. Таке металеве покритвання або нанесення суміші, яка містить порошок тя можна виконати відомим чином шляхом катодоксиду, порошок алюмінію і неорганічну або органого напилення або електролітичного осадження, нічну зв'язуючу речовину, таку як смола, при необпри цьому часто виконується наступний етап дихідності розчинення у розчиннику. В залежності від фузійної термообробки. В одному з варіантів здійзаданої товщини покриття накладають один на снення винаходу таке покриття металом із групи одного декілька послідовних шарів. Потім виконуплатини можна проводити після нанесення порошють термообробку при температурі, яка переважно ку оксиду РЗЕ на поверхню основи. становить від 800°С до 1100°С, що забезпечує Наступний етап способу полягає у формуванні формування алюмініду шляхом дифузії від метапокриття типу алюмінідного. левої основи і дисперсію РЗЕ в покритті. В оптимальному прикладі здійснення винаходу Металеву основу можна використовувати з використовують класичний спосіб алюмінування одним покриттям із алюмініду, який утворює покметодом дифузійного насичення, який звичайно риття для захисту від корозії і окислення при підназивають алітуванням. вищених температурах. Алітування в комплексі з контактом між сереМожна також додати зовнішнє покриття із кедовищем дифузійного насичення (далі - дифузійраміки - наприклад, із двуоксиду цирконію, оксиду ним середовищем) і основою полягає у зануренні ітрію або двуоксиду сполуки цирконію з ітрієм. Це основи в дифузійне середовище, яке містить (і) зовнішнє покриття, яке одержують способом фізисплав алюмінію, в загальному випадку сплав хромчного осадження, таким, як, наприклад, катодне алюміній, (іі) інертний компонент, такий як оксид напилення, термічне нанесення, випаровування алюмінію, щоб запобігти спіканню, і (ііі) галогенізопід електронним променем, утворює бар'єр. Прований активатор (наприклад, NH4CI, NH4F, AIF3, міжне покриття типу алюмінідного у цьому випадку NaF, NaCI,) і допускає передачу металу, який осавиконує функцію зв'язуючого шару, який за рахуджують, між дифузійним середовищем і основою. нок плівки із оксиду алюмінію, що утворюється на Весь модуль піддають в печі дії температури, яка його поверхні, забезпечує закріплення зовнішнього становить, наприклад, від 900°С до 1150°С. керамічного покриття. Алітування можна проводити також без контаНижче наведені приклади здійснення способу, кту з основою, при цьому дифузійне середовище які є ілюстративними, але не обмежувальними. розміщують в печі окремо. В цьому останньому Приклад 1 випадку галогенізований активатор можна включиНа металевій основі із суперсплаву на основі ти до складу дифузійного середовища або подати нікелю формували покриття із алюмініду нікелю, в піч окремо. легованого цирконієм, таким чином. У процесі алюмінування оксид РЗЕ, заздалеПорошок двуоксиду цирконію із середнім грагідь нанесений на поверхню основи, можна, принулометричним складом в 14мкм змішували з ріднаймні частково, відновити. Якщо оксид розсіяний кою акриловою смолою у співвідношенні за масою: 9 76937 10 1 частина порошку на 8 частин смоли. Суміш наМеталеву основу із суперсплаву на основі ніносили на основу способом обмазування щіткою, а келю покривали декількома шарами алюмінізувапотім смолу полімеризували під дією ультрафіолельної фарби. Фарба являла собою дисперсію в тового випромінювання. неорганічній зв'язуючій речовині суміші порошку Далі проводили алюмінування шляхом безкондвуоксиду цирконію, порошку алюмінію і порошку тактного алітування, розміщуючи основу в печі в кремнію у співвідношенні за масою відповідно 8%, присутності дифузійного середовища і активатора. 82% і 10%. Шари формували розпиленням фарби Склад дифузійного середовища за масою відповіз послідовним осадженням і проміжними циклами дав 30% алюмінію та 70% хрому, як активатор повітряного висушування, яке проводили спосовикористовували NH4CI. Алюмінування проводили бом гарячого висушування при температурі 90°С при температурі приблизно 1100°С впродовж привпродовж 30хв. Кількість шарів вибирали в залежблизно 4год. 30хв. Акрилова смола швидко розкності від бажаної товщини покриття із алюмініду. ладалась під дією галогенідів, які утворювались, і Далі металеву основу розміщували в печі для тепла, в той час як двуоксид цирконію відновлютермообробки при температурі 1100°С в нейтравався. льній атмосфері (аргоні). За допомогою дифузії У результаті одержали металеву основу із суодержали покриття із алюмініду нікелю з розсіяним персплаву на основі нікелю з покриттям із алюмів ньому цирконієм. ніду нікелю, який містить за масою 0,9% цирконію. Як уже було зазначено, осадження оксиду РЗЕ Приклад 2 шляхом обмазування або напилення має перевагу Металеву основу із суперсплаву на основі нів тому, що воно дає можливість формувати поккелю піддали піскоструминній обробці порошком риття тільки частини поверхні металевої основи. двуоксиду цирконію, ідентичним використаному в При цьому вибирають критичні частини основи, які прикладі 1. Піскоструминна обробка забезпечила найбільше зазнають дії, або ж частини основи, які інкрустацію двуоксиду цирконію і осадження його потребують ремонту або відновлення покриття часток на поверхні основи. типу алюмінідного, а в окремих випадках і зовнішДалі проводили алюмінування шляхом безконнього керамічного покриття. тактного дифузійного насичення аналогічно прикВ описаних вище прикладах проводили нанеладу 1. Одержаний алюмінід нікелю містив циркосення порошку двуоксиду цирконію, однак спосіб ній у кількості декількох сотень частин на мільйон, можна виконувати аналогічним чином при нанеа також тонку дисперсію часток оксиду алюмінію з сенні порошку оксиду ітрію або порошку оксиду гранулометричним складом менше, ніж 1мкм. гафнію, порошку оксиду лантаноїда або суміші Приклад 3 двох або декількох із цих порошків. Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601