RU2687788C1 - Многослойное эрозионностойкое покрытие - Google Patents
Многослойное эрозионностойкое покрытие Download PDFInfo
- Publication number
- RU2687788C1 RU2687788C1 RU2018143374A RU2018143374A RU2687788C1 RU 2687788 C1 RU2687788 C1 RU 2687788C1 RU 2018143374 A RU2018143374 A RU 2018143374A RU 2018143374 A RU2018143374 A RU 2018143374A RU 2687788 C1 RU2687788 C1 RU 2687788C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chromium
- coating
- microlayers
- erosion
- thickness
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 20
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N chromium carbide Chemical compound [Cr]#C[Cr]C#[Cr] UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910003470 tongbaite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 8
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 7
- 150000001845 chromium compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 14
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N azanylidynechromium Chemical compound [Cr]#N CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 chromium nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- FXNGWBDIVIGISM-UHFFFAOYSA-N methylidynechromium Chemical compound [Cr]#[C] FXNGWBDIVIGISM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для защиты от эрозионного износа стальных рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, подвергающихся высокоскоростному каплеударному воздействию в коррозионно-активных средах при повышенных усталостных нагрузках. Покрытие содержит четное число последовательно чередующихся микрослоев хрома и соединения хрома. Микрослои соединения хрома выполнены из карбида хрома толщиной 1,4±0,6 мкм. Микрослои хрома выполнены толщиной 0,45±0,15 мкм. Общее число микрослоев покрытия находится в пределах от 6 до 10. Концентрация атомов углерода в покрытии составляет 3,25±0.25 ат.%. Обеспечивается повышение коррозионных свойств и усталостных характеристик покрытия с сохранением его высокой эрозионной стойкости. 2 табл.
Description
Область техники
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для защиты от эрозионного износа стальных рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, подвергающихся высокоскоростному каплеударному воздействию в коррозионно-активных средах при повышенных усталостных нагрузках.
Уровень техники
Известно многослойное эрозионностойкое покрытие [патент RU 2353778, опубл. 27.04.2009], содержащее слои эрозионностойких и коррозионностойких материалов Ti, Zr, Cr и их нитридов с имплантированными в каждый слой ионами N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr.
Недостатком данного технического решения является неоднородность легирования имплантируемыми ионами наносимых микрослоев, а также присутствие больших градиентов концентрации примесей посторонних элементов по толщине всего покрытия. Это приводит к низкой адгезионной прочности и значительному разбросу в получаемых свойствах микрослоев покрытия, а, следовательно, к отсутствию повторяемости и возникновению отклонений от заявленной эрозионной стойкости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является многослойное эрозионностойкое покрытие [патент RU 2660502, опубл. 06.07.2018], содержащее приповерхностный азотированный слой и последовательно чередующиеся микрослои хрома толщиной 0,5-1,5 мкм и нитрида хрома толщиной 2-3 мкм при общей толщине покрытия 5-30 мкм. Это покрытие выбрано в качестве прототипа.
Покрытие-прототип выполнено в виде совокупности износостойких микрослоев нитрида хрома и пластичных микрослоев хрома, нанесенных на предварительно азотированную поверхность защищаемого изделия. Азотированная поверхность обладает высокой твердостью, что позволяет противостоять каплеударному воздействию в течение длительного времени, определяющего повышенную эрозионную стойкость покрытия, за счет демпфирования напряжений, возникающих в микрослоях покрытия от удара капель. Однако при работе изделия в коррозионно-активной рабочей среде азотированная поверхность изделия быстро повреждается после каплеударного и усталостного разрушения нанесенных на нее микрослоев покрытия, что приводит к низким показателям покрытия-прототипа по коррозионной стойкости.
Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение коррозионных свойств и усталостных характеристик покрытия с сохранением его высокой эрозионной стойкости.
Технический результат изобретения заключается в увеличении ресурса эрозионностойкого покрытия за счет повышения его коррозионной и усталостной стойкости.
Предметом изобретения является многослойное эрозионностойкое покрытие, содержащее четное число последовательно чередующихся микрослоев хрома и микрослоев соединения хрома, отличающееся тем, что микрослои соединения хрома выполнены из карбида хрома толщиной 1,4±0,6 мкм, а микрослои хрома выполнены толщиной 0,45±0,15 мкм, при этом общее число микрослоев покрытия лежит в пределах от 6 до 10, а концентрация атомов углерода в покрытии составляет 3,25±0.25 ат.%
Предлагаемая совокупность четного числа пластичных микрослоев хрома и микрослоев карбида хрома, более твердых, чем нитриды хрома, обеспечивает высокую твердость покрытия, наносимого непосредственно на поверхность изделия, которая не уступает твердости покрытия-прототипа, требующего формирования приповерхностного азотированного слоя, снижающего коррозионную стойкость изделия.
Функциональное назначение микрослоев заявляемого многослойного покрытия.
Первый микрослой - адгезионный, пластичный, беспористый и коррозионностойкий микрослой хрома.
Второй микрослой - твердый и износостойкий микрослой карбида хрома.
Последующие микрослои - чередующиеся пластичные микрослои хрома и твердые микрослои карбида хрома противостоят возникновению и распространению трещин, образующихся в твердых микрослоях, в низлежащие пластичные микрослои.
Последний слой - твердый и износостойкий микрослой карбида хрома.
Осуществление изобретения
Технологический процесс нанесения предлагаемого многослойного эрозионностойкого покрытия включает в себя следующие основные этапы.
Вначале поверхность изделий проходит предварительную подготовку, включающую электролитно-плазменную полировку, удаление загрязнений с поверхности, обезжиривание и сушку. Затем подготовленные изделия загружают в вакуумную камеру, в которой установлены магнетроны с мишенями из хрома. После этого подают в камеру инертный газ (аргон) и зажигают тлеющий разряд между изделиями и стенками вакуумной камеры, при котором осуществляется ионная очистка и активация поверхности изделий путем ее бомбардировки ионами инертного газа.
Далее на поверхность изделия наносят микрослои предлагаемого покрытия.
Изделие последовательно проходит перед магнетронами с мишенями из хрома. Чередование микрослоев обеспечивают периодической подачей в камеру реакционного углеводородного газа (например, метана), который легирует углеродом распыляемый с мишени хром и обеспечивает образование карбида. При подаче в камеру реакционного газа на изделии формируется микрослой карбида хрома, в отсутствие реакционного газа - микрослой хрома.
При этом первым на поверхность изделия наносят металлический микрослой хрома, который имеет высокую адгезию и беспористость, что необходимо для прочности всего покрытия в целом и его коррозионной стойкости.
Толщины микрослоев хрома и карбида хрома регулируют длительностью работы магнетронов при отсутствии или при наличии в вакуумной камере реакционного углеводородного газа соответственно.
Требуемую концентрацию атомов углерода обеспечивают регулировкой расхода реакционного углеводородного газа в пределах от 0,3 нл/час до 0,5 нл/час.
Экспериментально установлено, что наилучшие характеристики покрытия достигаются при толщине микрослоев хрома 0,45±0,15 мкм, толщине микрослоев карбида хрома 1,4±0,6 мкм и концентрации атомов углерода в покрытии 3,25±0.25 ат.%. (Приведенные допуски на задаваемые толщины микрослоев и на задаваемую концентрацию атомов углерода учитывают технологическую погрешность и инерционность описанного процесса нанесения многослойного покрытия).
Для определения общего количества микрослоев, наилучшего по эрозионной стойкости, были проведены испытания на эрозионную стойкость нескольких вариантов покрытия (с указанными значениями толщин микрослоев и концентрации атомов углерода), сформированных на образцах из стали 20X13. Эрозионная стойкость образцов с покрытиями оценивалась по отношению к эрозионной стойкости образцов из стали 20X13, используемой в качестве материала лопаток паровых турбин.
Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, заявленное покрытие при числе слоев в диапазоне от 6 до 10 не уступает по эрозионной стойкости прототипу (относительная эрозионная стойкость покрытия-прототипа, согласно его описанию, на той же марке стали равна 4,2).
Для совокупного сопоставления эрозионной и коррозионной стойкости, а также усталостных характеристик предлагаемого многослойного эрозионностойкого покрытия относительно решения-прототипа, были проведены сравнительные испытания, результаты которых для образцов из стали марки 20X13 приведены в таблице 2.
Образцы группы (I) имели покрытия, соответствующие прототипу. Образцы групп (II-IV) - это образцы №2, 3, 4 согласно таблице 1. Группа (I) являлась контрольной. Стойкость образцов других групп определялась по отношению к усталостной прочности, эрозионной и коррозионной стойкости образцов группы (I). Эрозионные испытания проводились на гидроударном стенде «Эрозия-М». Испытания на стойкость к питтинговой коррозии проводились с использованием электронного потенциостата IPC-Pro MF и открытой трехэлектродной термостатированной ячейки методом анодной поляризации с определением потенциалов и базисов питтингостойкости в водной среде, типа загрязненной хлоридами оборотной воды. Исследования на усталость при чистом изгибе с вращением на базе 107 циклов проводились на установке КУ-1.
Из табл. 2 следует, что образцы с предлагаемым покрытием обладают повышенной в 3,0÷3,6 раза стойкостью к питтинговой коррозии и повышенной на 10% усталостной прочностью. При этом они сохраняют высокую эрозионную стойкость прототипа.
Аналогичные преимущества перед прототипом показали сравнительные испытания образцов из лопаточной стали 12X13.
Как видно из вышеизложенного, предложенное изобретение, характеризующееся заявляемой совокупностью четного числа пластичных микрослоев хрома и твердых микрослоев карбида хрома, обеспечивает высокую твердость покрытия, не уступающую твердости прототипа, без необходимости формирования приповерхностного азотированного слоя, снижающего коррозийную стойкость прототипа.
Нанесение предлагаемого эрозионностойкого покрытия, обладающего высокой коррозионной стойкостью и повышенными усталостными характеристиками, позволяет увеличить ресурс изделий (например, лопаток турбин), работающих в коррозионно-активной среде.
Claims (1)
- Многослойное эрозионностойкое покрытие, нанесенное на стальное изделие, содержащее четное число последовательно чередующихся микрослоев хрома и соединения хрома, отличающееся тем, что микрослои соединения хрома выполнены из карбида хрома толщиной 1,4±0,6 мкм, а микрослои хрома выполнены толщиной 0,45±0,15 мкм, при этом общее число микрослоев покрытия находится в пределах от 6 до 10, при этом концентрация атомов углерода в покрытии составляет 3,25±0,25 ат.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018143374A RU2687788C1 (ru) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Многослойное эрозионностойкое покрытие |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018143374A RU2687788C1 (ru) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Многослойное эрозионностойкое покрытие |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2687788C1 true RU2687788C1 (ru) | 2019-05-16 |
Family
ID=66579051
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018143374A RU2687788C1 (ru) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Многослойное эрозионностойкое покрытие |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2687788C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2138396C1 (ru) * | 1993-07-09 | 1999-09-27 | Сандвик Аб | Подложка с алмазным покрытием |
RU2558024C2 (ru) * | 2010-03-09 | 2015-07-27 | Федерал-Могул Буршайд Гмбх | Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента |
CN103710799B (zh) * | 2012-10-09 | 2016-06-08 | 昆山立特纳米电子科技有限公司 | 自润滑涂层钢领及其制备工艺 |
CN104419927B (zh) * | 2013-09-10 | 2017-04-12 | 晏双利 | 硬质合金刀具及其镀膜方法 |
RU2660502C1 (ru) * | 2017-11-28 | 2018-07-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Способ нанесения покрытия на поверхность стального изделия |
-
2018
- 2018-12-07 RU RU2018143374A patent/RU2687788C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2138396C1 (ru) * | 1993-07-09 | 1999-09-27 | Сандвик Аб | Подложка с алмазным покрытием |
RU2558024C2 (ru) * | 2010-03-09 | 2015-07-27 | Федерал-Могул Буршайд Гмбх | Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента |
CN103710799B (zh) * | 2012-10-09 | 2016-06-08 | 昆山立特纳米电子科技有限公司 | 自润滑涂层钢领及其制备工艺 |
CN104419927B (zh) * | 2013-09-10 | 2017-04-12 | 晏双利 | 硬质合金刀具及其镀膜方法 |
RU2660502C1 (ru) * | 2017-11-28 | 2018-07-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Способ нанесения покрытия на поверхность стального изделия |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhou et al. | Microstructure, hardness and corrosion behaviour of Ti/TiN multilayer coatings produced by plasma activated EB-PVD | |
US4904542A (en) | Multi-layer wear resistant coatings | |
JP5441596B2 (ja) | タービン稼働中の粒子蓄積を低減させるためのタービン部品の表面処理 | |
EP1811060B1 (en) | CMAS resistant thermal barrier coating | |
US11859499B2 (en) | Turbine clearance control coatings and method | |
USRE34173E (en) | Multi-layer wear resistant coatings | |
US20100226783A1 (en) | Erosion and Corrosion Resistant Turbine Compressor Airfoil and Method of Making the Same | |
CN102076885B (zh) | 旋转机械用部件 | |
Parameswaran et al. | Titanium nitride coating for aero engine compressor gas path components | |
US20070160873A1 (en) | Thermal barrier coating compositions, processes for applying same and articles coated with same | |
KR20080037578A (ko) | 내침식성 코팅 및 그의 제조방법 | |
RU2228387C2 (ru) | Способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия | |
JPH01139754A (ja) | 耐摩耗性の被覆物 | |
Krella et al. | Effect of mechanical properties of CrN/CrCN coatings and uncoated 1.402 stainless steel on the evolution of degradation and surface roughness in cavitation erosion | |
CA2990731A1 (en) | Contour-following protective layer for compressor components of gas turbines | |
RU2695245C2 (ru) | Способ защиты компонента турбомашины от эрозии при воздействии капель жидкости, компонент и турбомашина | |
RU2687788C1 (ru) | Многослойное эрозионностойкое покрытие | |
RU2554828C2 (ru) | Способ нанесения защитного покрытия на поверхность стального изделия | |
Mann et al. | Advanced high-velocity oxygen-fuel coating and candidate materials for protecting LP steam turbine blades against droplet erosion | |
RU2541261C2 (ru) | Способ формирования нанокомпозитного покрытия на поверхности изделия | |
CN111448339B (zh) | 用于燃气轮机的涡轮叶片的防腐耐蚀涂层 | |
Bobzin et al. | Impact resistance and properties of (Cr, Al, Si) N coatings deposited by gas flow sputtering with pulsed DC supply | |
Tucker | An overview of alternative coatings for wear and corrosion resistance | |
RU2710761C1 (ru) | Способ нанесения эрозионностойкого покрытия на поверхность стальной лопатки паровой турбины | |
Aperador et al. | Evaluation of the corrosion erosion by cavitation in [TiN/ZrN] multilayers coatings |