RU2698163C1

RU2698163C1 - Method of producing protective coating on surface of part from nickel alloy

Info

Publication number: RU2698163C1
Application number: RU2018127926A
Authority: RU
Original assignee: Акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко"
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2019-08-22

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to production of a protective coating, which protects against the action of aggressive media of the surface of parts of flow part of turbines of turbo-pump units of liquid-propellant rocket engines (LPE) made of nickel alloys and having a complex configuration. Method of obtaining on surface of part from nickel alloy of protective coating, consisting of oxides of alloying elements of nickel alloy, includes hot isostatic pressing (HIP) of part at pressure of 150 MPa, at temperature of 1190 °C and holding time 3 hours in argon medium with 0.002 % volume fraction of oxygen. Partial pressure of oxygen is set lower than the pressure of dissociation of nickel oxide and higher than the pressure of dissociation of said oxides of alloying elements. Then aging is carried out at temperature 900 °C and holding time of 16 hours and cooling in air.

EFFECT: reliable protection from parts in the medium of high-temperature oxygen-containing generator gas and resistance to corrosion of particles which initiate ignition.

1 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области получения защитного покрытия, предохраняющего от воздействия агрессивных сред, поверхности деталей, проточной части турбин турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), выполненных из никелевых сплавов и имеющих сложную конфигурацию.The invention relates to the field of obtaining a protective coating that protects against aggressive environments, the surface of parts, the flow part of the turbines of turbopump units of liquid rocket engines (LRE) made of nickel alloys and having a complex configuration.

Вопрос надежности ЖРД с дожиганием окислительного генераторного газа в значительной степени связан с решением проблемы стойкости к возгоранию конструктивных элементов проточной части турбины, в высокотемпературной среде газообразного окислителя. Данная проблема решается за счет использования различных защитных покрытий.The issue of reliability of liquid propellant rocket engines with afterburning of oxidizing generator gas is largely related to solving the problem of resistance to ignition of structural elements of the turbine flow section in a high-temperature medium of a gaseous oxidizer. This problem is solved through the use of various protective coatings.

Известен способ вакуумного ионно-плазменного нанесения толстослойного (до 300 мкм) никелевого покрытия, являющегося стойким к окислению и возгоранию в кислородосодержащей среде (патент РФ №2192501, 2000 г.). Напыленное и отожженное покрытие после охлаждения до комнатной температуры подвергали термической обработке - диффузионному отжигу - в вакуумной печи при температуре 1000-1050°С и разрежением не ниже 1⋅10^-3 мм рт.ст. Данный способ позволяет получить достаточно плотное и прочное покрытие, обладающее высокой адгезией.The known method of vacuum ion-plasma deposition of a thick (up to 300 microns) nickel coating, which is resistant to oxidation and fire in an oxygen-containing medium (RF patent No. 2192501, 2000). After cooling to room temperature, the sprayed and annealed coating was subjected to heat treatment — diffusion annealing — in a vacuum furnace at a temperature of 1000–1050 ° C and a vacuum of at least 1–10 ^–3 mm Hg. This method allows to obtain a sufficiently dense and durable coating with high adhesion.

Однако полученное никелевое покрытие имеет недостаточную устойчивость к эрозионному воздействию частиц, инициирующих зажигание, содержащихся в окислительном генераторном газе. В результате чего происходил унос никелевого покрытия этими частицами и возгорание основного металла в среде высокотемпературного окислительного генераторного газа, обогащенного кислородом.However, the obtained nickel coating has insufficient erosion resistance of the ignition initiating particles contained in the oxidizing generator gas. As a result, the nickel coating was ablated by these particles and the base metal ignited in the medium of a high-temperature oxidizing generator gas enriched with oxygen.

Известен способ нанесения на никелевый слой металлокерамического покрытия, устойчивого к эрозионному воздействию (патент США №6090191, 1999 г.). Металлокерамическое покрытие на никелевый слой наносится путем окунания детали в шликер, содержащий смесь его компонентов в воде. Полученный слой подвергается термической обработке путем сушки в потоке горячего воздуха до полного удаления влаги с труднодоступных мест наружной и внутренней поверхностей детали. Далее высушенную деталь помещают в контейнер, заполняют его аргоном и обжигают металлокерамическое покрытие в вакуумной печи при температуре 1000-1050°С. Охлаждение контейнера осуществляется с печью до комнатной температуры.A known method of applying to a nickel layer of a cermet coating resistant to erosion (US patent No. 6090191, 1999). The ceramic-metal coating on the nickel layer is applied by dipping the part in a slip containing a mixture of its components in water. The resulting layer is subjected to heat treatment by drying in a stream of hot air to completely remove moisture from inaccessible places on the outer and inner surfaces of the part. Next, the dried part is placed in a container, filled with argon, and a ceramic-metal coating is fired in a vacuum oven at a temperature of 1000-1050 ° C. The container is cooled with the oven to room temperature.

Однако при нанесении шликера на поверхность никелевого покрытия присутствующая в нем влага проникает в поры этого покрытия и в процессе нагрева не успевает испариться полностью. В результате в микропорах развивается высокое давление паров воды, приводящее к вспучиванию некоторых участков никелевого слоя и, как следствие, выходу детали в брак.However, when applying a slip on the surface of a nickel coating, the moisture present in it penetrates into the pores of this coating and does not have time to completely evaporate during heating. As a result, high pressure of water vapor develops in micropores, which leads to swelling of some parts of the nickel layer and, as a result, the part goes into marriage.

Известно двухслойное покрытие, наносимое на лопатки турбин и включающее в себя связующий слой, содержащий NiCrAlY и теплозащитный слой, состоящий из оксидов ZrO2 - Y2O3 или ZrO2 - MgO (патент США №4055705, 1976 г. - прототип).A two-layer coating is known that is applied to turbine blades and includes a bonding layer containing NiCrAlY and a heat-shielding layer consisting of ZrO2 - Y2O3 or ZrO2 - MgO oxides (US patent No. 4055705, 1976 - prototype).

Связующее покрытие, содержащее NiCrAlY, наносится на поверхность лопаток турбин путем плазменного напыления. Поверх связующего покрытия плазменным напылением наносится теплозащитное покрытие, состоящее из оксидов ZrO2-Y2O3 или ZrO2-MgO.A bonding coating containing NiCrAlY is applied to the surface of the turbine blades by plasma spraying. A thermal barrier coating consisting of ZrO2-Y2O3 or ZrO2-MgO oxides is applied over the bonding coating by plasma spraying.

Данное покрытие имеет высокую адгезию, низкую теплопроводность и обеспечивает надежную защиты лопаток турбин от воздействия высокотемпературных газов.This coating has high adhesion, low thermal conductivity and provides reliable protection of turbine blades from exposure to high temperature gases.

Однако данное покрытие имеет недостаточную устойчивость к эрозионному воздействию частиц, содержащихся в высокотемпературном газе и инициирующих зажигание.However, this coating has insufficient resistance to erosion by the particles contained in the high-temperature gas and initiating ignition.

Задачей изобретения является создание способа получения покрытия на поверхности деталей, выполненных из никелевых сплавов и имеющих сложную конфигурацию, обеспечивающего их надежную защиту от возгорания в среде высокотемпературного газообразного окислителя, содержащего частицы, инициирующие зажигание.The objective of the invention is to provide a method for coating on the surface of parts made of nickel alloys and having a complex configuration, providing reliable protection against fire in a high-temperature gaseous oxidizer containing particles that initiate ignition.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе получения на поверхности детали из никелевого сплава защитного покрытия, состоящего из оксидов легирующих элементов никелевого сплава проводят горячее изостатическое прессование (ГИП) детали при давлении 150 МПа, при температуре 1190°С и времени выдержки 3 часа в среде аргона с 0,002% объемной доли кислорода, при этом парциальное давление кислорода устанавливают ниже давления диссоциации оксида никеля и выше давления диссоциации упомянутых оксидов легирующих элементов, после чего проводят старение при температуре 900°С и времени выдержки 16 часов и охлаждение на воздухе.The solution to this problem is achieved by the fact that in the method for producing a protective coating on the surface of a nickel alloy part consisting of oxides of alloying elements of nickel alloy, hot isostatic pressing (HIP) of the part is carried out at a pressure of 150 MPa, at a temperature of 1190 ° C and a holding time of 3 hours argon medium with 0.002% volume fraction of oxygen, while the partial pressure of oxygen is set below the dissociation pressure of nickel oxide and above the dissociation pressure of the mentioned oxides of alloying elements, after which aging at a temperature of 900 ° C and a holding time of 16 hours and cooling in air.

Технический результат состоит в обеспечении надежной защиты от возгорания деталей, выполненных из никелевого сплавов, в среде высокотемпературного кислородосодержащего генераторного газа и стойкости к коррозионному воздействию частиц, инициирующих возгорание.The technical result consists in providing reliable protection against ignition of parts made of nickel alloys in a high-temperature oxygen-containing generator gas and resistance to corrosion by particles initiating fire.

Пример осуществления предложенного способа.An example implementation of the proposed method.

Предложенным способом было получено защитное покрытие на поверхности образцов лопаток статора турбины турбонасосного агрегата ЖРД. Образцы лопаток были изготовлены из жаропрочного сплава на никелевой основе ЭП648 (32-35% Сr, 0,5-1,1% Аl, 0,5-1,1% Ti, 0,5-1,1% Nb, 2,3-3,3% Mo, 4,3-5,3% W, ≤ 0,1% С, Ni - основа).By the proposed method, a protective coating was obtained on the surface of the samples of the stator blades of the turbine of the turbopump engine rocket engine. The samples of the blades were made of a heat-resistant nickel-base alloy EP648 (32-35% Cr, 0.5-1.1% Al, 0.5-1.1% Ti, 0.5-1.1% Nb, 2, 3-3.3% Mo, 4.3-5.3% W, ≤ 0.1% C, Ni - base).

Образцы лопаток помещали в закрытую емкость, в которую подавался аргон, содержащий 0,002% объемной доли кислорода. Далее проводили процесс ГИП при давлении 150 МПа, температуре 1190°С и времени выдержки 3 часа.Samples of the blades were placed in a closed container into which argon was supplied containing 0.002% by volume of oxygen. Next, the HIP process was carried out at a pressure of 150 MPa, a temperature of 1190 ° C and a holding time of 3 hours.

После чего была проведена термическая обработка образцов лопаток в камерной печи по режиму: старение при температуре 900°С и времени выдержки 16 часов и охлаждение на воздухе.After that, the heat treatment of the blade samples in the chamber furnace was carried out according to the regime: aging at a temperature of 900 ° C and a holding time of 16 hours and cooling in air.

Использование предложенного технического решения позволит получить покрытие, обеспечивающее надежную защиту деталей, выполненных из никелевых сплавов и имеющих сложную конфигурацию, от возгорания в среде высокотемпературного окислителя, содержащего частицы инициирующие зажигание.Using the proposed technical solution will allow you to get a coating that provides reliable protection of parts made of nickel alloys and having a complex configuration, from ignition in the medium of a high-temperature oxidizer containing particles initiating ignition.

Claims

Способ получения на поверхности детали из никелевого сплава защитного покрытия, состоящего из оксидов легирующих элементов никелевого сплава, характеризующийся тем, что проводят горячее изостатическое прессование (ГИП) детали при давлении 150 МПа, при температуре 1190°С и времени выдержки 3 часа в среде аргона с 0,002% объемной доли кислорода, при этом парциальное давление кислорода устанавливают ниже давления диссоциации оксида никеля и выше давления диссоциации упомянутых оксидов легирующих элементов, после чего проводят старение при температуре 900°С и времени выдержки 16 часов и охлаждение на воздухе.A method of obtaining a protective coating on the surface of a nickel alloy part consisting of oxides of alloying elements of a nickel alloy, characterized in that the isostatic pressing (HIP) of the part is carried out at a pressure of 150 MPa, at a temperature of 1190 ° C and a holding time of 3 hours in argon atmosphere 0.002% of the volume fraction of oxygen, while the partial pressure of oxygen is set below the dissociation pressure of nickel oxide and above the dissociation pressure of the mentioned oxides of alloying elements, after which aging is carried out at a rate 900 ° C and a holding time of 16 hours and cooling in air.