Металеве покриття та спосіб його нанесення

1. Металеве покриття, що має стійкість до окиснення і зносу, яке відрізняється тим, що має наступний склад, мас. %: хром алюміній ітрій гафній тантал вольфрам реній (11) 1 3 81513 високій температурі (вище 2000 градусів за Фаренгейтом). Покриття на основі МСrАІ звичайно мають серйозні недоліки щодо зносу, які обмежують їх застосування. Додавання активних елементів до покриттів з МСrАІ не тільки забезпечує достатню стійкість до окиснення, але й робить їх хорошими кандидатами на роль з'єднувальних покриттів для теплоізолювальних керамічних покриттів. Хоча й алюмінідні покриття, і покриття з МСrАІ мають широко розповсюджене застосування, нове покриття, яке об'єднало б кращі властивості обох покриттів, могло б негайно застосовуватися на вдосконалених деталях турбіни, де повинні бути мінімізовані знос, тягова вага й окиснення. Найбільш близьким по суті та досягаемому результату до металевого покриття та способу нанесення зовнішнього покриття на субстрат, які заявляються, є алюмінідне покриття та спосіб його нанесення, що включає одержання матеріалу субстрату та наступне нанесення на нього композиції металевого покриття, що описані [в патенті США №5514482, кл. МПК В05D3/02, 3/06, В21D39/00, 1996р.]. Недоліком відомого покриття та способу його нанесення є те що, відоме покриття та спосіб його нанесення не дають можливості зменшити термічну невідповідність між покриттям та субстратом, на який його наносять, та не забезпечують високої стійкості до окиснення та зносу утвореного на поверхні субстрату зовнішнього покриття. Відповідно, задача даного винаходу полягає в тому, щоб розробити композицію металевого покриття та спосіб його нанесення, які забезпечують чудові характеристики стійкості до окиснення і зносу. Інша задача даного винаходу полягає в тому, щоб розробити композицію покриття та спосіб його нанесення на субстрат, які зменшують невідповідність теплового розширення між сплавами покриття та іншими деталями турбіни. Технічний результат, який досягається завдяки даному винаходу, полягає в зменшенні невідповідності теплового розширення між матеріалом покриття та субстратом, а також в підвищення стійкості до окиснення та зносу одержаного покриття, що, в свою чергу, дає можливість збільшити термін роботи покриття приблизно до 4000год. Вищеописані задачі досягаються завдяки покриттю та способу нанесення зовнішнього покриття на субстрат згідно з даним винаходом. Поставлена задача стосовно металевого покриття досягається тим, металеве покриття, що включає метали, згідно з винаходом, містить до 18ваг.% кобальту, від 3,0 до 18ваг.% хрому, від 5,0 до 15ваг.% алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.% і трію, до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.% танталу, до 9,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 6,0ваг.% ренію, до 10ваг.% молібдену і решту нікелю. Крім того, загальна кількість вищезгаданого танталу і вищезгаданого вольфраму знаходиться в межах від 3,0 до 16,0ваг.%. 4 Крім того, вищезгаданий кобальт присутній у кількості менше 15ваг.%, вищезгаданий хром присутній у кількості від 5,0 до 18ваг.%, вищезгаданий алюміній присутній у кількості від 5,0 до 12ваг.% і вищезгаданий вольфрам присутній у кількості менше 5,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий кобальт присутній у кількості від 2,0 до 18ваг.%, вищезгаданий хром присутній у кількості від 3,0 до 10ваг.%, вищезгаданий алюміній присутній у кількості від 5,5 до 15ваг.%, вищезгаданий реній присутній у кількості від 1,0 до 5,0ваг.% і вищезгаданий молібден присутній у кількості від 0,2 до 4,0ваг.%. Крім того, загальна кількість вищезгаданого танталу і вищезгаданого вольфраму знаходиться в межах від 4,0 до 16ваг.%. Варіантом стійкого до окиснення і зносу металевого покриття є покриття, що має композицію, яка складається в основному з до 15ваг.% кобальту, від 5,0 до 18ваг.% хрому, від 5,0 до 12ваг.% алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.% і трію, до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.% танталу, до 5,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 6,0ваг.% ренію, до 10ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, загальна кількість вищезгаданого танталу і вищезгаданого вольфраму знаходиться в межах від 3,0 до 12ваг.%. Крім того, загальна кількість вищезгаданого танталу і вищезгаданого вольфраму знаходиться в межах від 5,0 до 9,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий кобальт присутній у кількості менше 2,0ваг.%, вищезгаданий хром присутній у кількості від 10 до 15ваг.%, вищезгаданий алюміній присутній у кількості від 6,0 до 10ваг.%, вищезгаданий ітрій присутній у кількості від 0,2 до 0,7ваг.%, вищезгаданий гафній присутній у кількості від 0,2 до 0,6ваг.%, вищезгаданий кремній присутній у кількості не більше 0,1ваг.% і вищезгаданий тантал присутній у кількості від 5,0 до 7,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий хром присутній у кількості 12,5ваг.% і тим, що вищезгаданий алюміній присутній у кількості 8,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий ітрій присутній у кількості від 0,4 до 0,7ваг.% і вищезгаданий гафній присутній у кількості 0,4ваг.%. Крім того, вищезгаданий реній присутній у кількості від 1,0 до 3,5ваг.%, оптимально в кількості 2,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий молібден присутній у кількості не більше 4,0ваг.%. Варіантом стійкого до окиснення і зносу металевого покриття є покриття, що складається в основному з до 2,0ваг.% кобальту, від 10 до 15ваг.% хрому, від 6,0 до 10ваг.% алюмінію, від 0,2 до 0,7ваг.% ітрію, від 0,2 до 0,6 гафнію, від 0,001 до 0,1ваг.% кремнію, від 5,0 до 7,0ваг.% танталу, від 1,0 до 4,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 3,5ваг.% ренію, до 4,0ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, вищезгаданий вольфрам і тантал присутні в загальній кількості в межах від 5,0 до 9,0ваг.%. 5 81513 Варіантом стійкого до окиснення і зносу металевого покриття є покриття, що складається з 12,5ваг.% хрому, 8,0ваг.% алюмінію, від 0,4 до 0,7ваг.% ітрію, 0,4ваг.% гафнію, 6,0ваг.% танталу, 2,0ваг.% вольфраму, 2,0ваг.% ренію і решти нікелю. Варіантом стійкого до окиснення і зносу металевого покриття є покриття, що складається в основному з від 2,0 до 18ваг.% кобальту, від 3,0 до 10ваг.% хрому, від 5,5 до 15ваг.% алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.% ітрію, до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.% танталу, від 1,0 до 9,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 5,0ваг.% ренію, від 0,2 до 4,0ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, вищезгаданий тантал і вищезгаданий вольфрам присутні в загальній кількості в межах від 4,0 до 16ваг.%. Крім того, вищезгаданий тантал і вищезгаданий вольфрам присутні в загальній кількості в межах від 7,0 до 12ваг.%. Крім того, вищезгаданий тантал і вищезгаданий вольфрам присутні в загальній кількості 11ваг.%. Крім того, вищезгаданий кобальт присутній у кількості від 8,0 до 12ваг.%, вищезгаданий хром присутній у кількості від 4,0 до 6,5ваг.%, вищезгаданий алюміній присутній у кількості від 7,5 до 12,5ваг.%, вищезгаданий ітрій присутній у кількості від 0,2 до 0,7ваг.%, вищезгаданий гафній присутній у кількості від 0,2 до 0,6ваг.%, вищезгаданий кремній присутній у кількості не більше 0,1ваг.% і вищезгаданий тантал присутній у кількості від 5,0 до 7,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий кобальт присутній у кількості 10,5ваг.%, вищезгаданий хром присутній у кількості 5,0ваг.%, ви щезгаданий алюміній присутній у кількості 9,0ваг.%, вищезгаданий ітрій присутній у кількості від 0,4 до 0,7ваг.%, вищезгаданий гафній присутній у кількості 0,4ваг.% і вищезгаданий тантал присутній у кількості 6,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий вольфрам присутній у кількості від 4,2 до 5,8ваг.%, вищезгаданий реній присутній у кількості від 2,3 до 3,7ваг.% і вищезгаданий молібден присутній у кількості від 1,4 до 2,0ваг.%. Крім того, вищезгаданий вольфрам присутній у кількості 5,0ваг.%, вищезгаданий реній присутній у кількості 3,0ваг.% і вищезгаданий молібден присутній у кількості 1,7ваг.%. Варіантом стійкого до окиснення і зносу металевого покриття є покриття, що має композицію, яка складається в основному з від 8,0 до 12ваг.% кобальту, від 4,0 до 6,5ваг.% хрому, від 7,5 до 12,5ваг.% алюмінію, від 0,2 до 0,7ваг.% ітрію, від 0,2 до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 5,0 до 7,0ваг.% танталу, від 4,2 до 5,8ваг.% вольфраму, від 2,3 до 3,7ваг.% ренію, від 1,4 до 2,0ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, вищезгаданий тантал і вищезгаданий вольфрам присутні в загальній кількості в межах від 7,0 до 12ваг.%. Варіантом стійкого до окиснення і зносу металевого покриття є покриття, що складається з 6 10,5ваг.% кобальту, 5,0ваг.% хрому, 9,0ваг.% алюмінію, від 0,4 до 0,7ваг.% ітрію, 04ваг.% гафнію, 0,1ваг.% кремнію, 6,0ваг.% танталу, 5,0ваг.% вольфраму, 3,0ваг.% ренію, 1,7ваг.% молібдену і решти нікелю. Поставлена задача стосовно способу нанесення зовнішнього покриття на субстрат, досягається тим, що в способі нанесення зовнішнього покриття на субстрат, що включає одержання матеріалу субстрату та наступне нанесення на нього покриття, згідно з винаходом, одержують матеріал субстрату з щонайменше з одного металевого матеріалу на основі нікелю, кобальту і заліза і наносять на вищезгаданий субстрат покриття, що має композицію, яка складається в основному з до 18ваг.% кобальту, від 3,0 до 18ваг.% хрому, від 5,0 до 15ваг.% алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.% ітрію, до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.% танталу, до 9,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 6,0ваг.% ренію, до 10ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, вищезгаданий етап нанесення виконують з використанням процесу катодного плазмово-дугового напилення або методики плазмового напилення принизькому тиску. Крім того, вищезгаданий етап нанесення включає нанесення покриття, що має композицію, яка складається в основному з до 15ваг.% кобальту від 5,0 до 18ваг.% хрому, від 5,0 до 12ваг.% алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.% ітрію, до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.% танталу, до 5,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 6,0ваг.% ренію, до 10ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, вищезгаданий етап нанесення включає нанесення покриття, що має композицію, яка складається в основному з до 2,0ваг.% кобальту, від 10 до 15ваг.% хрому, від 6,0 до 10ваг.% алюмінію, від 0,2 до 0,7ваг.% ітрію, від 0,2 до 0,6ваг.% гафнію, до 0,1ваг.% кремнію, від 5,0 до 7,0ваг.% танталу, від 1,0 до 4,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 3,5ваг.% ренію, до 4,0ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, вищезгаданий етап нанесення включає нанесення покриття, що має композицію, яка складається в основному з від 2,0 до 18ваг.% кобальту, від 3,0 до 10ваг.% хрому, від 5,5 до 15ваг.% алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.% ітрію, до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.% танталу, від 1,0 до 9,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 5,0ваг.% ренію, від 0,2 до 4,0ваг.% молібдену і решти нікелю. Крім того, вищезгаданий етап нанесення включає нанесення покриття, що має композицію, яка складається в основному з від 8,0 до 12ваг.% кобальту, від 4,0 до 6,5ваг.% хрому, від 7,5 до 12,5ваг.% алюмінію, від 0,2 до 0,7ваг.% ітрію, від 0,2 до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 5,0 до 7,0ваг.% танталу, від 4,2 до 5,8ваг.% вольфраму, від 2,3 до 3,7ваг.% ренію, від 1,4 до 2,0ваг.% молібдену і решти нікелю. Деталі газової турбіни виготовляються зі сплавів на основі нікелю, кобальту і заліза. Через украй високу температуру середовищ, у яких 7 81513 працюють ці деталі, необхідно забезпечити їм захисне покриття. Покриття повинні мати композицію, яка мінімізує вплив зносу на деталі газової турбіни, на які вони нанесені, і одночасно забезпечувати максимальні характеристики стійкості до окиснення. Покриття також повинне бути таким, у якому мінімізована невідповідність теплового розширення між покриттям і сплавом(ами), використаним для виробництва деталей газової турбіни. Ця невідповідність є однією з причин поганих характеристик зносу покрить з МСrАІ. Відповідно до даного винаходу були розроблені металеві покриття, які зменшують теплову невідповідність і забезпечують бажану стійкість до окиснення і зносу. Ці металеві покриття мають композицію, яка взагалі складається в основному з до 18ваг.% кобальту, від 3,0 до 18ваг.% хрому, від 5,0 до 15ваг.% алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.% ітрію, до 0,6ваг.% гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.% танталу, до 9,0ваг.% вольфраму, від 1,0 до 6,0ваг.% ренію, до 10ваг.% молібдену, і решти нікелю. У цих покриттях вольфрам і тантал присутні в загальній кількості в межах від 3,0 до 16ваг.%. У вищеописаних загальних композиціях покриття перша група особливо корисних покриттів для деталей газової турбіни має композицію, яка складається в основному з до 15ваг.%, оптимально 2,0ваг.% або менше, кобальту, від 5,0 до 18ваг.%, оптимально від 10 до 15ваг.%, хрому, від 5,0 до 12ваг.%, оптимально від 6,0 до 10ваг.%, алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.%, оптимально від 0,2 до 0,7ваг.%, ітрію, до 0,6ваг.%, оптимально від 0,2 до 0,6ваг.%, гафнію, до 0,3ваг.%, оптимально 0,1ваг.% або менше, кремнію, від 3,0 до 10ваг.%, оптимально від 5,0 до 7,0ваг.%, танталу, до 5,0ваг.%, оптимально від 1,0 до 4,0ваг.%, вольфраму, від 1,0 до 6,0, оптимально від 1,0 до 3,5ваг.%, ренію, до 10ваг.%, оптимально 4,0ваг.% або менше, молібдену, і решти нікелю. Загальна кількість танталу й вольфраму в цих металевих покриттях знаходиться в межах від 3,0 до 12ваг.% і оптимально в межах від 5,0 до 9,0ваг.%. У цій першій групі покриттів особливо корисна композиція покриття складається з 12,5ваг.% хрому, 8,0ваг.% алюмінію, від 0,4 до 0,7ваг.% ітрію, 0,4ваг.% гафнію, 6,0ваг.% танталу, 2,0ваг.% вольфраму, 2,0ваг.% ренію і решти нікелю. Друга група особливо корисних композицій металевого покриття містить від 2,0 до 18ваг.%, оптимально від 8,0 до 12ваг.%, кобальту, від 3,0 до 10ваг.%, оптимально від 4,0 до 6,5ваг.%, хрому, від 5,5 до 15ваг.%, оптимально від 7,5 до 12,5ваг.%, алюмінію, від 0,1 до 1,0ваг.%, оптимально від 0,2 до 0,7ваг.%, ітрію, до 0,6ваг.%, оптимально від 0,2 до 0,6ваг.%, гафнію, до 0,3ваг.% кремнію, від 3,0 до 10ваг.%, оптимально від 5,0 до 7,0ваг.%, танталу, від 1,0 до 9,0ваг.%, оптимально від 4,2 до 5,8ваг.%, вольфраму, від 1,0 до 5,0ваг.%, оптимально від 2,3 до 3,7ваг.%, ренію, від 0,2 до 4,0ваг.%, оптимально від 1,4 до 2,0ваг.%, молібдену, і решту нікелю. Загальна 8 кількість вольфраму і танталу в ци х покриттях складає від 3,0 до 12ваг.%, оптимально від 5,0 до 9,0ваг.%. У цій другій групі покриттів особливо корисна композиція покриття складається з 10,5ваг.% кобальту, 5,0ваг.% хрому, 9,0ваг.% алюмінію, від 0,4 до 0,7ваг.% ітрію, 0,4ваг.% гафнію, 0,1ваг.% кремнію, 6,0ваг.% танталу, 5,0ваг.% вольфраму, 3,0ваг.% ренію, 1,7ваг.% молібдену і решти нікелю. Причиною поганих характеристик зносу покриття є надмірна товщина покриття. Типові способи нанесення верхнього шару покриттів включають методи термічного напилення, наприклад, плазмове напилення при низькому тиску (LPSS), яке створює товщини покриття в межах від 0,1мм до 0,3мм. Використовуючи методи катодного плазмово-дугового вакуумного напилення, можливо наносити покриття з вищезгаданими композиціями, які мають товщину 0,05мм. Методи нанесення покриттів даного винаходу за допомогою катодного плазмоводугового вакуумного напилення описані [в Патентах США №5,972,185; 5,932,078; 6,036,828; 5,792,267 і 6,224,726], всі з яких включаються до даного документа шляхом посилання. Можуть використовува тися альтернативні методи напилення, у тому числі інші методи плазмового вакуумного напилення, такі як магнетронне розпилення й електронно-променеве плазмове вакуумне напилення. Якщо товщина не має значення, можуть використовуватися різні методи термічного напилення, такі як методи плазмового напилення при низькому тиску і H VOF (високошвидкісного киснево-паливного напилення). Покриття, що мають композиції згідно з даним винаходом, продемонстрували стійкість до теплової втоми, яка дорівнює кращому стійкому до зносу дифузійному алюмінідному покриттю. Нижченаведена таблиця ілюструє результати випробування на циклічне окиснення в камері згоряння при температурі 2100 градусів за Фаренгейтом, яке порівнює композиції згідно з даним винаходом з іншими композиціями покриття. Випробування на циклічне окиснен камері згоряння при температурі 2100 градусів Кандидат № Товщина (мм) Термін служби покриття (ТСП) (год.) 701 0,075 2320 702 0,079 4105 703 0,069 1591 699 0,084 3060 700 0,055 1170 697 0,061 982 695 0,071 826 696 0,062 676 PWA 275 0,051 115 ** Приведені до товщини покриття 0,051мм. ТСП** 1573 2648 1179 1855 1088 818 590 552 115 9 81513 Зразки, зроблені з матеріалу 701, мали композицію, що складається з 12,5ваг.% хрому, 8,0ваг.% алюмінію, від 0,4 до 0,7ваг.% ітрію, 0,4ваг.% гафнію, 6,0ваг.% танталу, 2,0ваг.% вольфраму, 2,0ваг.% ренію і решти нікелю. Зразки, зроблені з матеріалу 702, мали композицію, що складається з 10,5ваг.% кобальту, 5,0ваг.% хрому, 9,0ваг.% алюмінію, від 0,4 до 0,7ваг.% ітрію, 0,4ваг.% гафнію, 0,1ваг.% кремнію, 6,0ваг.% танталу, 5,0ваг.% вольфраму, 3,0ваг.% ренію, 1,7ваг.% молібдену і решти нікелю. Зразки, позначені 703, мали композицію, що складається з 7,0ваг.% хрому, 6,0ваг.% алюмінію, 5,5ваг.% вольфраму, 4,0ваг.% танталу, 2,0ваг.% ренію, 4,0ваг.% рутенію, 0,5ваг.% молібдену, 0,4ваг.% гафнію, 0,25ваг.% ітрію і решти нікелю. Зразки, позначені 699, є композиціями з NiCoCrAI з ренієм і танталом. Зразки, позначені 700, 697, 695 і 696, є композиціями з NiAl з 24ваг.% хрому, від 0,2 до 0,6ваг.% ітрію і 0,4ваг.% гафнію. Зразки, позначені PWA 275, є звичайними низькоактивними NiAl алюмінідами. Умови випробувань: 57 хвилин при 2100 градусах за Фаренгейтом і З хвилини примусового повітряного охолодження щогодини. У камері згоряння використовували подачу підігрітого стисненого повітря, змішаного з реактивним паливом JP8 для нагрівання зразків у динамічному навколишньому середовищі. Очевидно, що відповідно до даного винаходу було забезпечене стійке до окиснення і зносу металеве покриття, яке повністю відповідає цілям, засобам і перевагам, викладеним вище. Хоча даний винахід був описаний у контексті його окремих варіантів втілення, інші альтернативні варіанти, модифікації і зміни стануть очевидні для фа хівців у даній області те хніки, що прочитали попередній опис. Відповідно, передбачається охопити альтернативні варіанти, модифікації і зміни, які входять у широкий обсяг формули винаходу, що додається. 10