PL 16 84 62 B1
RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 168462
(13) B1
(21) Numer zgłoszenia:
296171
Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia:
05.10.1992
Rzeczypospolitej Polskiej
(51) IntCl6:
C23C 10/06 C23C 10/34 F02B 77/02 F02F 3/12
(54) Sposób wytwarzania pokryć ochronnych na elementach ze stopów niklu lub kobaltu oraz stopów żelaza lub tytanu zwłaszcza na elementach silników spalinowych
(73) Uprawniony z patentu:
Politechnika Śląska, Gliwice, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:
18.04.1994 BUP 08/94
(72) Twórcy wynalazku:Lucjan Swadźba, Tychy, PL Bolesław Formanek, Katowice, PL Adolf Maciejny, Katowice, PL
Bogusław Mendala, Siemianowice, PL Roland Streiff, Marseille, FR
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
29.02.1996 WUP 02/96
(74) Pełnomocnik:
Ziółkowska Urszula, Politechnika Śląska
(57)
1. Sposób wytwarzania pokryć ochronnych na elementach ze stopów niklu lub kobaltu
oraz stopów żelaza lub tytanu, zwłaszcza na elementach silników spalinowych, metodą
natryskiwania cieplnego proszkami ceramicznymi lub metaloceramicznymi pokrytymi war-
stwą niklu lub kobaltu lub platyny, przy czym elementy ze stopów żelaza lub tytanu przed
procesem natryskiwania cieplnego poddaje się niklowaniu, kobaltowaniu lub platynowaniu,
znamienny tym, że po procesie natryskiwania cieplnego elementy z uzyskaną powłoką
ceramiczną lub metaloceramiczną poddaje się nasyceniu dyfuzyjnemu.
S P O S Ó B W Y T W A R Z A N I A P O K R Y Ć O C H R O N N Y C H NA E L E M E N T A C H ZE ST O P Ó W NI KL U LUB K O B A L T U ORAZ ST O P Ó W ŻELAZA LUB TYTANU, Z W Ł A S Z C Z A
NA E L E M E N T A C H SI LN I K Ó W S P A L I N O W Y C H
Z a s t r z e ż e n i a p a t e n t o w e
1. Sp o s ó b w y t w a r z a n i a p o k r y ć o c h r o n n y c h na e l e m e n t a c h ze st op ów n ik lu lub k o b a l t u oraz s t o p ó w żelaza lub tytanu, z w ł a s z c z a na e l e m e n t a c h s i l n i k ó w s p a l i no wy ch , m e t o d ą n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o p r o s z k a m i c e r a m i c z n y m i lub m e t a l o c e r a m i c z n y m i p o k r y t y m i w a r s t w ą n i k l u lub k ob a l t u lub p la tyny, przy cz ym e l e m e n t y ze s t o p ó w żelaza lub tytanu pr ze d p r o c e s e m n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o p o d d a j e się n i k l o w a n i u , k o b a l t o w a n i u lub p l a t y n o w a n i u , z n a m i e n n y t y m , że po p r o c e s i e n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o e l e m e n t y z u z y s k a n ą p o w ł o k ą c e r a m i c z n ą lub m e t a l o c e r a m i c z n ą p o d d a j e się n a s y c e n i u d y f u z y jn em u.
2. Sp o s ó b w e d ł u g zastrz. 1, z n a m i e n n y t y m , że p ro ce s d y f u z y j n e g o n a s y c a n i a n a s t ę p u j ą c y po p r o c e s i e n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o pr ow a d z i się w m i e s z a n i n a c h z a w i e r a j ą c y c h s t o p o w e pr o s z k i c h r o m u lub ni kl u lub ż elaza z a l u m i n i u m lub ich d o w o l n e m i e s z a n i n y i/lub o b o j ę t n e w y p e ł n i e n i e w p o s t a c i tl enku alumini um .
3. Sp o s ó b w e d ł u g zastrz. 1, z n a m i e n n y t y m , że n a s y c a n i e d y f u z y j n e p ro w a d z i si ę m e t o d ą ga zową, k o n t a k t o w ą lub k o n t a k t o w o - g a z o w ą .
4. Sp o s ó b w e d ł u g zastrz. 1, z n a m i e n n y t y m , że n a s y c a n i e d y f u z y j n e p ro wa dz i si ę me t o d ą n a t r y s k i w a n i a z a w i e s i n c i e k ł y c h z n a s t ę p n y m w y g r z e w a n i e m d y f u zy jn ym .
* * *
P r z e d m i o t e m w y n a l a z k u jest sp os ób w y t w a r z a n i a p o k r y ć o c h r o n n y c h na e l e m e n t a c h ze stopów n i k l u lub k o b a l t u oraz s t o p ó w ż elaza lub ty tanu, z w ł a s z c z a na e l e m e n t a c h s i l n i k ó w s p a l i n o w y c h do ich o c h r o n y p r z e d k o r o z j ą w ś r o d o w i s k u z w i ą z k ó w siarki.
Z w i ę k s z e n i e t r w a ł o ś c i e l e m e n t ó w s i l n i k ó w s p a l i n o w y c h s t o s o w a n y c h w e n e r g e t y c e oraz l o t n ic t w i e , t a k i c h jak ł op at ki k i e r u j ą c e i w ir ujące, k o m o r y sp al an ia i inne o si ą g a się przez z a s t o s o w a n i e w a r s t w o c h r o n n y c h m e t a l o w y c h lub c e r a m i c z n y c h o t r z y m y w a n y c h m e t o d a m i n a s y c e n i a w p ro sz k a c h , n a t r y s k i w a n i a z a w i e s i n y z w y g r z e w a n i e m d y f u z y j n y m oraz n a t r y s k i w a n i a c ie pl ne go .
Z a s a d n i c z y p o s t ę p w o c h r o n i e p o w i e r z c h n i e l e m e n t ó w s i l n i k ó w p o z w a l a j ą c y na z n a c z n e z w i ę k s z e n i e t e m p e r a t u r y ich e k s p l o a t a c j i , a z a t e m na p o d w y ż s z e n i e ich s p r a w n o ś c i , d o k o n a n y został po o p r a c o w a n i u p o k r y ć s t a n o w i ą c y c h b a r i e r y cieplne. Z a s a d n i c z a rola j ak ą o d g r y w a j ą b ar ie ry p o lega za r ó w n o na ich w y s o k i e j o d p o r n o ś c i na k o r o z j ę jak ró w n i e ż na o b n i ż e n i u t e m p e r a t u r y m a t e r i a ł u p od ło ża . Jako m a t e r i a ł barier c i e p l n y c h st os uj e się tlenek glinu or az tl e n e k cy rk on u s t a b i l i z o w a n y t l e n k i e m itru. T le nk i te c h a r a k t e r y z u j ą się wy s o k ą s t a b i l n o ś c i ą t e m p e r a t u r o w ą , a t le ne k c y r k o n u n i s k ą p r z e w o d n o ś c i ą ci eplną. W t e m p e r a t u r z e 1273 do 1473 K, przy s zy bk o ś c i g a z ó w c h a r a k t e r y s t y c z n y c h dla s il ni ka lo t n i c z e g o , s pa de k t e m p e r a t u r y dla p o k r y ć tl e n k u c y r k o nu wy no si 464 K . , p o d c z a s gdy dla stopu ż a r o w y t r z y m a ł e g o 40 K. Wadą p o k r y ć z tl e n k u c yr ko nu je st jego p o d a t n o ś ć do p r z e m i a n p o l i m o r f i c z n y c h , kt ór e p o w o d u j ą zm ia ny o b j ę t o ś c i i niską o d p o r n o ś ć tego typu wa rs tw na c y k l i c z n e zm ie n n e o b c i ą ż e n i a cieplne.
P o k r y c i e tl e n k u g l inu o g ru b o ś c i 0,2 mm p o z w a l a j ą na o b n i ż e n i e t e m p e r a t u r y m a t e r i a ł u p o d ł o ż a o 400°C p o d c z a s gdy po w ł o k a m e t a l o w a 15 razy gr ubsza, p oz w a l a na o b n i ż e n i e t e m p e r a t u r y tego p o d ł o ż a o 300°C. N a j b a r d z i e j i n t e r e s u j ą c a jest m o ż l i w o ś ć z a s t o s o w a n i a p o k r y ć - b a r i e r c i e p l n y c h w o d n i e s i e n i u do ł op a t e k turbin. S t o s u j ą c tego typu wa r s t w y m o ż n a z r e a l i z o w a ć dwa z a s a d n i c z e cele. Po p i e r w s z e mo żn a przy s ta łe j t e m p e r a t u r z e m a t e r i a ł u ł op a t e k p o d w y ż s z y ć t e m p e r a t u r ę g a z ó w p r z e d t u r b i n ą o o k o ł o 100 K co p r o w a d z i do z m n i e j s z e n i a z u ż y c i a p a l i w a o 1,3%.
Po drugie, nie z m i e n i a j ą c t e m p e r a t u r y g a z ó w przed turbiną, m ożna z w i ę k s z y ć t r w a ł o ś ć ło patek c z t e r o k r o t n i e w w yn ik u o b n i ż e n i a t e m p e r a t u r y ich pracy.
168 462 3
Znane jest z a s t o s o w a n i e p o k r y ć na łopatki tu rbiny p i e r w s z e g o s to pn ia c h ł o d z o n e w w a r u n k a c h e k s p e r y m e n t a l n y c h . Z a s t o s o w a n o p ok ry ci e, w k t ó r y m st re fę z e w n ę t r z n ą s t a n o w i ł y tl en ki Z r O 2 - 12%
Y 2 O3 zaś m i ę d z y w a r s t w a g r a n i c z ą c a z po dł o ż e m mi a ł a skład; Ni - o s n o w a , Cr- 16%, A l - 8% , Y- 0,6 % . T e m p e r a t u r a g a z ów p r z e d t u r b i n ą w y n o s i ł a 1703 K. N i s z c z e n i e p ok r y ć p o l e g a ł o na ich pę ka n i u w m i e j s c u w y s t ę p o w a n i a n a j w i ę k s z y c h n ap r ę ż e ń i t e m p e ra tu ry . N i s z c z e n i e po k r y ć w p r ó b a c h c y k l i c z n e g o u t l e n i a n i a z a c h o d z i p o p r z e z z ł u s z c za ni e wa rs t w y c e r a m i c z n e j na gr a n i c y z m i ę d z y w a r s t w ą . Z na c z n a ró żn ic a we w s p ó ł c z y n n i k a c h r o z s z e r z a l n o ś c i c i e p l n e j p o m i ę d z y m a t e r i a ł e m p o d ł o ż a a p o k r y c i e m c e r a m i c z n y m s t w a r z a k o n i e c z n o ś ć s to so w a n i a w a r s t w p o ś r e d n i c h , k tó re k o m p e n s o w a ł y b y tak zn a c z n e z r ó ż n i c o w a n i e we w s p ó ł c z y n n i k a c h r o z s z e r z a l n o ś c i c i e p ln ej . Znane jest s t o s o w a n i e w a r s t w p o ś r e d n i c h / m i ę d z y w a r s t w / p om i ę d z y wa r s t w ą c e r a m i c z n ą a s t o p e m - m a t e r i a ł e m p o d ł o ż a t a k i c h jak Ni Cr Al Y, Co Cr A l Y , N iC r oraz N i A l . S z c z e g ó l n i e k o r z y s t n e jest s t o s o w a n i e jako mi ę- d z y w a r s t w y z w i ą z k u NiAl, m a j ą c e g o po śr e d n i e w ła sn o ś c i p o m i ę d z y p o d ł o ż e m a w a r s t w ą c e r a m i c z n ą oraz d o s k o n a ł ą p r z y c z e p n o ś ć do p o dłoża.
P ok r y c i a c e r a m i c z n e A l 2O 3 / t l e n e k al um in iu m/ oraz Z r O 2 - 8% Y 2 O 3 j a k r ó w n i e ż m i ę d z y w a r s t w y Ni C rA lY , CoCrAlY, NiAl or az N iC r nanosi się me t o d ą n a t r y s k i w a n i a p l a z m o w e g o w a t m o s f e r z e p o w i e t r z a lub pod o b n i ż o n y m c i ś n i e n i e m . Dla u zy sk a n i a p r z y c z e p n o ś c i p ok ry ć do p o d ł o ż a e l e m e n t y ze s t o p ó w ż a r o w y t r z y m a ł y c h p od d a j e się o br ób ce s t r u m i e n i o w o - c i e r n e j w celu r o z w i n i ę c i a p o w i e r z c h n i .
Znane są p o k r y c i a n a n o s z o n e na e le me nt y tu rb in g a z o w y c h m e t o d ą o d p a r o w a n i a st op u o o k r e ś l o n y m s k ł a d z i e p rzy p o m o c y w i ą z k i el ek tr on ow ej . Są to p o k r y c i a M C r A l Y gd zi e M o z n a c z a jeden z p i e r w i a s t k ó w : Ni, Co, Fe. Jako p r z y k ł a d o w e m oż na p r z y t o c z y ć s to py o d p a r o w a n e w i ą z k ą o n a s t ę p u j ą c y m s kł ad z i e c h e m i c z n y m w % wag.: F e C r A l Y / C r 26-29%, Al 12-14%, Y 0, 6- 0,9%; N i C r A l Y / C r 2 0 - 3 5 % , Al 15-20%, Y 0 , 0 5 - 0 , 3 % ; C o C r A l Y / C r 19-25%, Al 12-15%, Y 0 , 01 -0 ,5 %; N i C o C r A l Y / C r 14-22%, Al 10-13%, Y 0 , 0 1 - 1 , 0 % . W a r s t w y o t r z y m a n e przez o d p a r o w a n i e w i ą z k ą e l e k t r o n o w ą w y k a z uj ą b a r d z o w y s o k ą o d p o r n o ś ć na k o r o z j ę w ś ro do wi sk u z a w i e r a j ą c y m zw ią zk i siarki. T e c h n o l o g i a ich o t r z y m y w a n i a jest b a r d z o s k o m p l i k o w a n a i droga.
O pi s a n e p o w y ż e j m e t o d y o t r z y m y w a n i a pokryć o c h r o n n y c h na e l e m e n t a c h t u r b i n s t a c j o n a r n y c h or az s i l n i k ó w l o t n i c z y c h m a j ą o g r a n i c z o n e z a s t o s o w a n i e z p r z y c z y n , k tó re z o s t a ł y c z ę ś c i o w o op is an e. G łówne p r z y c z y n y o g r a n i c z o n e g o z as t o s o w a n i a p o k r y ć - b a r i e r c i e p l n y c h w o d n i e s i e n i u do ło p a t e k k i e r u j ą c y c h i w i r u j ą c y c h są następu ją ce : sł ab a p r z y c z e p n o ś ć w a r s t w c e r a m i c z n y c h do s to pu ż a r o w y t r z y m a ł e g o , p o m i m o s to so wa n ia wa r s t w p o d k ł a d o w y c h , k o m p e n s u j ą c y c h r ó ż n i c ę w r o z s z e r z a l n o ś c i c i e p l n e j p o k r y c i a i ma te ri ał u podłoża, a d h e z y j n y c h a r a k t e r p o ł ą c z e n i a p o m i ę d z y p o k r y c i e m c e r a m i c z n y m m i ę d z y w a r s t w ą oraz m a t e r i a ł e m p o d ł o ż a , br ak m o ż l i w o ś c i d o k ł a d n e j k o n tr ol i g ru b o ś c i p o k r y c i a . N a j w a ż n i e j s z ą jednak w a d ą t e c h n o l o g i i o t r z y m y w a n i a p o k r y ć jest k o n i e c z n o ś ć r o z w i n i ę c i a p o w i e r z c h n i pr zez o bó b kę s t r u m i e n i o w o - ś c i e r n ą pr z e d n a n i e s i e n i e m p ok ry ci a.
O b r ó b k a s t r u m i e n i o w o - ś c i e r n a p o w o d u j e zn aczną z mi a n ę st an u p o w i e r z c h n i w p r o w a d z a j ą c n a p r ę ż e nia r o z c i ą g a j ą c e b a r d z o n i e k o r z y s t n e z pu nktu w i d z e n i a w y t r z y m a ł o ś c i z m ę c z e n i o w e j łopatek.
P o n a d t o o d d z i a ł y w a n i e s t r u m i e n i e m śc ie r n i w a na ba rd zo p r e c y z y j n i e w y k o n a n e k r a w ę d z i e n a t a r c i a i s p ł y w u ło pa te k p r o w a d z i do ich m e c h a n i c z n e g o u s z k a dz an ia .
N a j w a ż n i e j s z ą w a d ą s t o s o w a n y c h do tyc h c z a s m e t o d o t r z y m y w a n i a p o k r y ć s t a n o w i ą c y c h b a r i e r y c i e p l n e jest brak m o ż l i w o ś c i o c h r o n y przed k o r o z j ą w e w n ę t r z n y c h k a n a ł ó w c h ł o d z ą c y c h łopatek.
Ł o p a t k i c h ł o d z o n e w y k o n y w a n e są ja ko o dl ew an e c i e n k o ś c i e n n e k o n s t r u k c j e z u k ł a d e m s k o m p l i k o w a n y c h k a n a ł ó w c h ł o d z ą c y c h , p r z e z kt ór e p r z e p ł y w a p o w i e t r z e o b n i ż a j ą c t e m p e r a t u r ę p o w i e r z c h n i ło patek. P o w i e r z c h n i e te n a r a ż o n e są r ów n i e ż na k or ozję. D o t y c h c z a s s t o s o w a n a t e c h n o l o g i a n a k ł a d a n i a po k r y ć b a r i e r c i e p l n y c h przez n a t r y s k i w a n i e p l a z m o w e nie p o z w a l a na p o k r y w a n i e w e w n ę t r z n y c h k a n a ł ó w c h ł o d z ą c y c h , d la te go c ie nk ie ś c i a n k i ło p a t e k n a r a ż o n e są na z u ż y c i e k o r o z y j n e . Me to da o t r z y m y w a n i a p o k r y ć o c h r o n n y c h p o l e g a j ą c a na o d p a r o w a n i u s t r o p ó w o o k r e ś l o n y m s k ł a d z i e w i ą z k ą e l e k t r o n o w ą , r ó w n i e ż nie za pewnia m o ż l i w o ś c i o c h r o n y w e w n ę t r z n y c h k a n a ł ó w w ło pa tk ac h . M e t o d a n a s y c a n i a d y f u z y j n e g o st os ow an a jest do o t r z y m y w a n i a w a r s t w d y f u z y j n y c h na b az ie a l u m i n i d k ó w n i k l u w ó w c z a s gdy e le me nt w y k o n a n y j es t z ż a r o w y t r z y m a ł e g o stopu na b a z i e n i k l u bądź a l u m i n i d k ó w k o b a l t u na e l e m e n t a c h w y k o n a n y c h ze s t o p ó w ko baltu. Ro zw ój p o k r y ć d o p r o w a d z i ł do o p r a c o w a n i a w a r s t w d yf uz yj ny ch , kt ó r y c h w ł a s n o ś c i o c h r o n n e są w y ż s z e niż w a r s t w a l u m i n o w y c h , a kt ór e z a w i e r a j ą inne p i e r w ia st wk i z w i ę k s z a j ą c e ich o d p o r n o ś ć na k o r o z j ę w p od -
4 1 6 8 462
w y ż s z o n e j t e m p e r atu rz e. Os n o w ą tych w a r s t w są alumini d ki . W a r s t w y tego typu noszę na z w ę w a r stw m o d y f i k o w a n y c h i o t r z y m y w a n e są w pr oc es ie : c h r o m o a l u m i n i o w a n i a / w a r s t w y Cr-Al/, k r z e m o a - l u m i n i o w a n i a /w ar s t w y Si-Al/. Do w a r s t w m o d y f i k o w a n y c h z a l i c z a się r ó w n i e ż wa rs tw y Al-Pt o t r z y m y w a n e w pr oc es ie dw ue t a p o w y m . W p i e r w s z y m e tapie na p o w i e r z c h n i ę e l e m e n t u w y k o n a n e g o ze s t o p u n ik lu lub k ob al tu n anosi s i ę m e t o d ą g a l w a n i c z n ą w a r s t w ę p l a t y n y o g ru b o ś c i od 5 do 15
μ
m, po cz ym w e tap ie drugim, p ok r y t y p l a t y n ą element, p o d d a j e się d y f u z y j n e m u a l u m i n i o w a n i u w p r o s z k a c h . Dyf uz yj ne w ar s t w y Al, Al-Si, A l- Cr oraz Al-Pt z n a l a z ł y z a s t o s o w a n i e jako oc hr on a p r z e d k o r o z j ą w p o d w y ż s z o n e j t e m p e r a t u r z e ło pa te k k i e r u j ą c y c h i w i r u j ą c y c h .E f e k t y w n ą m e t o d ą o t r z y m y w a n i a w a r s t w o c h r o n n y c h - d y f u z y j n y c h Al o ra z Al-Cr - jest m et od a n a t r y s k i w a n i a z a w i es in y z a w i e r a j ą c e j a l u m i n i u m lub aluminium i k r z e m z n a s t ę p n y m w y g r z e w a n i e m d y f u z y j n y m w t e m p e r a t u r z e od 1023 do 1273 K. S t a b i l n o ś ć w a r s t w d y f u z y j n y c h w wy so k i e j t e m p e r a
turze z a l e ż y od s kładu c h e m i c z n e g o s t o p u ż a r o w y t r z y m a ł e g o , na k t ó r y m z o s t a ł a otrzymana. W toku e k s p l o a t a c j i w a r s t w n a s t ę p u j e ut ra ta w ł a s n o ś c i o c h r o n n y c h w s k u t e k dy fu z j i a l u m i n i u m do m a t e r i a ł u p o d s t a w o w e g o oraz n iklu lub k o b a l t u na zewnątrz. Dy fu zj a tych p i e r w i a s t k ó w p r o w a d z i p o n a d t o do o b n i ż e n i a w ł a s n o ś c i m e c h a n i c z n y c h elementów.
S p o s ó b w y t w a r z a n i a po k r y ć o c h r o n n y c h w e d ł u g wynalaz ku , zwany w d a l s z e j treści op is u m e t o dą a d h e z y j n o - d y f u z y j n ą , p o l e g a j ą c y na tym, że na e l e m e n t y s i l n i k ó w s p a l i n o w y c h ze s to pó w n i k l u lub k o b a l t u oraz s to p ó w żelaza lub t yt an u nanosi się m e t o d ą n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o p r o s z k i c e r a m i c z n e lub m e t a l o c e r a m i c z n e p o k r y t e wa r s t w ą ni kl u lub k o b a l t u lub platy ny , przy c z y m e l e m e n t y ze stopów że laza lub t y t a n u pr z ed p r o c e s e m n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o po dd a j e się n i k l o w a n i u , k o b a l t o w a n i u lub p l a t y n o w a n i u , c h a r a k t e r y z u j e się tym, że po p r o c e s i e n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o e le m e n t y z u z y s k a n ą p o w ł o k ą c e r a m i c z n ą lub m e t a l o c e r a m i c z n ą po d d a j e się n a s y c a n i u d y f u z y j n e m u . Proces d y f u z y j n e g o n a s y c a n i a n a s t ę p u j ą c y po p r o c e s i e n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o p r o w a d z i się k o r z y s t n i e w m i e s z a n i n a c h z a w i e r a j ą c y c h s t o p o w e p r o s z k i c hr om u lub - niklu lub że la za z a l u m i n i u m lub ich m i e s z a n i n y i/lub ob oj ę t n e w y p e ł n i e n i e w p ostaci t lenku a l u m i n i u m . N a s y c e n i e dy fu z y j n e k o r z y s t n i e p r o w a d z i się m e t o d ą g azową, k o n t a k t o w ą lub k o n t a k t o w o - g a z o w ą , albo m e t o d ą n a t r y s k i w a n i a z a w i e s i n c i e k ł y c h z n a s t ę p n y m w y g r z e w a n i e m d y f u z y jn ym , w t e m p e r a t u r z e od 1273 do 1473 K w cz a s i e od 5 do 40 godzin.
S t w i e r d z o n o n i e o c z e k i w a n i e , że w wy n i k u poddania, u z y s k a n e j po p r o c e s i e n a t r y s k i w a n i a c i e p l n e g o p o w ł o k i c e r a m i c z n e j lub m e t a l o c e r a m i c z n e j , n a s y c a n i u d y f u z y j n e m u s p o s o b e m w ed ł u g w y n a l a z k u o t r z y m u j e się p o k r y c i e a d h e z y j n o - d y f u z y j n e , k t ó r e g o s t r u k t u r a na p o w i e r z c h n i s kłada s ię z z e w n ę t r z n e j s trefy p o k r y c i a c e r a m i c z n e g o lub m e t a l o c e r a m i c z n e g o oraz d y f u z y j n e j st re fy p o m i ę d z y s t r e f ą Z e w n ę t r z n ą a p od ło ż e m . St r e f a p o m i ę d z y s t r e f ą z e w n ę t r z n ą - c e r a m i c z n ą a p o d ł o ż em z aw ie ra fazy a l u m i n i u m i n ik lu l ub a l u m i n i u m i k o b a l t u lub a l u m i n i u m i p la t y n y o ba rd zo s i l n y m d y f u z y j n y m p o ł ą c z e n i u z po dł oż em . S tr ef a d y f u z y j n a łączy z e w n ę t r z n ą s t r e f ę - c e r a m i c z n ą p o p r z e z u t w o r z o n e w niej zw ią z k i a l u m i n i u m z k o b a l t e m lub n i k l e m lub platyną. P o ł ą c z e n i e to ma r ó w n i e ż c h a r a k t e r d yfu zy jn y. Tak w i ę c s po s ó b we d ł u g w y n a l a z k u p o z w a l a w n i e z n a n y d o t y c h c z a s s po s ób o t r z y m a ć p o k r y c i a a d h e z y j n o - d y f u z y j n e o b a r d z o w y s o k i e j p r z y c z e p n o ś c i do po dłoża, bez k o n i e c z n o ś c i s t o s o w a n i a o b ró b k i s t r u m i e n i o w o - ś c i e r n e j el em en t ó w .
U tr at a w ł a s n o ś c i o c h r o n n y c h p rz ez p o k r y c i a s t a n o w i ą c e b a r i e r y c i e p l n e o t r z y m y w a n e w e d ł u g z n a n y c h i s t o s o w a n y c h d o t y c h c z a s t e c h n o l o g i i , polega na ich p ę k a n i u pod w p ł y w e m o b c i ą ż e ń m e c h a n i c z n y c h lub ci ep ln yc h, co je st b a r d z o n i e b e z p i e c z n e s z c z e g ó l n i e dla ł opatek turbin. P o w y ż s z y c h wad p o z b a w i o n y jest s po s ó b o t r z y m y w a n i a p ok ry ć w e d ł u g w y n a l a z k u , gdyż na we t w p r z y p a d k u gdy z ł u s z c z e n i u u l e g n i e z e w n ę t r z n a w a r s t w a c e r a m i c z n a , z n a j d u j ą c a się p on i ż e j w a r s t w a d y f u z y j n a z w i ą z k ó w NiAl lub CoAl lub PtAl s k u t e c z n i e ch r o n i m a t e r i a ł p o d ł o ż a przed o d d z i a ł y w a n i e m a g r e s y w n e j atmosf er y. Z ł u s z c z e n i e p o k r y c i a o t r z y m a n e g o w e d ł u g z na n y c h t e c h n o l o g i i p o w o d u j e o d s ł o n i ę c i e p o d ł o ż a - s t o p u ż a r o w y t r z y m a ł e g o b ar d z o w r a ż l i w e g o na k o r o z j ę w ś r o d o w i s k u z a w i e r a j ą c y m związki siarki.
P o n i ż e j p r z e d s t a w i o n o p r z y k ł a d y i l u s t r u j ą c e sp o s ó b w y t w a r z a n i a a d h e z y j n o - d y f u z y j n y c h p o k r y ć o c h r o n n y c h na e l e m e n t a c h s i l n i k ó w sp al in ow yc h.
1 6 8 462 5
P r z y k ł a d I. Ł o p a t k ę t ur b i n y ga z o w e j w y k o n a n ą m e t o d ą o d l e w a n i a z w e w n ę t r z n y m i k a na ł a m i c hł o dzą c ymi , ze stopu na b azie ni kl u o s k ł a d z i e c h e m i c z n y m /w % w ag ow y c h / : Ni-osno wa ; 8,0Cr; 1 0 C o ; 6 , OMo; 6 , OA l ; 1 ,OTi; 4,3Ta; 0,1C; 0 , 0 1 5 B ; 0,10Zr; 1 ,5Hf po d d a n o n a t r y s k i w a n i u c i e p l n e m u t le nk i e m c y r k o n u z a w i e r a j ą c y m 8% tl en ku itru. Pr o s z e k do n a t r y s k i w a n i a p o d d a n o u p r z e d n i o g a l w a n i c z n e m u n i k l o w a n i u . N a t r y s k i w a n i e p r o w a d z o n o w a t m o s f e r z e p o w i e t r z a . Ło pa tk a z w a r s t w ą a d h e z y j n ą p o d d a n a zo stała p r o c e s o w i d y f u z y j n e g o n a s y c a n i a w m i e s z a n i n i e do ch ro - m o a l u m i n i o w a n i a w t e m p e r a t u r z e 1323 K. O t r z y m a n o w ten sp o s ó b na ło patce p o k r y c i e oc hr on ne , k t ó r e g o s tr uktura jest n a s t ę p u j ą c a : na p o w i e r z c h n i z e w n ę t r z n e j łopatki p o k r y c i e za w i e r a st r e f ę c e r a m i c z n ą Z r 0 2 x Y 2 O 3 , pod k t ó r ą w y s t ę p u j e st r ef a d y f u z y j n a NiAl s t a n o w i ą c a p o ł ą c z e n i e p o m i ę d z y st r e f ą c e r a m i c z n ą a m a t e r i a ł e m po d ł o ż a łopatki. S t r e f a NiAl na g r a n i c y z p o d ł o ż e m ma s t r u k turę, której c h a r a k t e r y s t y c z n ą c ec hą są ob e c n e w niej w y d z i e l e n i a o w y d ł u ż o n y m k s z t a ł c i e , p r o s t o p a d l e do po wi e r z c h n i . Taka s t r u k t u r a z a p e w n i a w y s o k ą o d p o r n o ś ć na k o r o z j ę oraz dużą p r z y c z e p n o ś ć do podłoża. Ł op a t k a tu rb in y w y k o n a n a ze s topu ż a r o w y t r z y m a ł e g o na b az ie ni kl u p o k r y t a została na z e w n ę t r z n e j p o w i e r z c h n i w a r s t w ą c e r a m i c z n ą s t a n o w i ą c ą b a r i e r ę c i e p l n ą z w i ę k s z a j ą c ą o d p o r n o ś ć na k o r o z j ę w y s o k o t e m p e r a t u r o w ą i o b n i ż a j ą c ą t e m p e r a t u r ę p o w i e r z c h n i łopatki. W k a n a ł a c h c h ł o d z ą c y c h o t r z y m a n o d y f u z y j n ą w a r s t w ę NiAl o w y s o k i e j o d p o r n o ś c i na k or oz ję .
P r z y k ł a d II. Ł o p a t k ę tu rb in y w y k o n a n ą z ż a r o w y t r z y m a ł e g o stopu na b a z i e ni kl u o s k ł a d z i e c h e m i c z n y m /w % w a g o w y c h / : Ni -o sn o w a ; 14Cr; 9,5Co; 4 ,0 Mo; 4 , 0W; 3 , 0 A l ; 5,0Ti; 0,17C;
0,0150; 0,03Zr; z w e w n ę t r z n y m i k an ał am i c h ł o d z ą c y m i p o d d a n o n a t r y s k i w a n i u c i e p l n e m u t l e n k i e m a l u m i n i u m , k tó r e g o ziarna z os t a ł y u p r z e d n i o p o d d a n e n i k l o w a n i u z n a n y m sp os ob em . Ł o p a t k ę z w y t w o r z o n ą na z e w n ę t r z n e j p o w i e r z c h n i p o w ł o k ą A l 2 O 3 -Ni po d d a n o n a s t ę p n i e p r o c e s o w i d y f u z y j nego n a s y c a n i a w pr o s z k u z a w i e r a j ą c y m stop niklu i aluminium o z a w a r t o ś c i 30% w a g o w y c h niklu oraz h a l o g e n k o w y a k t y w a t o r w ilości 1% w a g o w y w st os u n k u do c ię ż a r u proszku. P r o c e s d y f u z y j n eg o n a s y c a n i a p r o w a d z o n o w t e m p e r a t u r z e 1323 K. O b r o b i o n a w ten sp o s ó b ł op at ka p o s i a d a ł a p o k r y c i e zarówno na p o w i e r z c h n i jak r ó w n i e ż w w e w n ę t r z n y c h k a n a ł a c h ch ł o d z ą c y c h . P o w i e r z c h n i a z e w n ę t r z n a łopatki po kr yt a była wa r s t w ą c e r a m i c z n ą A l 2 O 3 z d y f u z y j n y m p o ł ą c z e n i e m z m a t e r i a łem po d ł o ż a p op rz ez z w i ą z e k NiAl p o w s t a j ą c y w p r o c e s i e d y f u z y j n e g o n a s y ca ni a. W k a n a ł a c h c h ł o d z ą c y c h p o w s t a ł a d y f u z y j n a w ar s t w a o c h r o n n a s k ł a d a j ą c a się ze st re fy z e w n ę t r z n e j NiAl oraz p r z e j ś c i o w e j , na g r a n i c y z podło że m, z a w i e r a j ą c a w y d z i e l e n i a o z w i ę k s z o n e j , w s to s u n k u do p od ł o ż a i strefy z e w n ę t r z n e j , k o n c e n t r a c j i ch romu, mo li bd en u, w o l f r a m u i tytanu. O t r z y ma ne p o k r y c i e n adaje ł opatce w y s o k ą o d p o r n o ś ć na k or oz ję , za r ó w n o na p o w i e r z c h n i z e w n ę t r z n e j jak r ó w n i e ż w k a n a ł a c h c h ło d z ą c y c h , w y s o k ą p r z y c z e p n o ś ć do podłoż a. P o n a d t o z a s t o s o w a n e p o k rycie c e r a m i c z n e s tanowi b a r i e r ę c i e p l n ą o b n i ż a j ą c t e m p e r a t u r ę m a t e r i a ł u podłoża.
P r z y k ł a d III. Ł op a t k ę t u r b i n y w y k o n a n ą z ż a r o w y t r z y m a ł e g o stopu na b az ie niklu o s k ł a d z i e c h e m i c z n y m /w % wa gow yc h/ : N i - o s n o w a ; 16Cr; 8 , 5 C o ; 1,0Mo; 2,5W; 3 , 5 A l ; 0,7Nb; 1 ,6Ta;
0,15C, 0 ,008B; i 0,08Zr p od d a n o n a t r y s k i w a n i u c i e p l n e m u przy p o m o c y p i s t o l e t u p l a z m ow eg o, t l e n k i e m a l u m i n i u m z a w i e r a j ą c y m 5% w a g o w y c h n i k l u a n a s t ę p n i e d y f u z y j n e m u a l u m i n i o w a n i u w p r o s z k u stopu ż e l a z o - a l u m i n i u m z a w i e r a j ą c y m 40% w a g o w y c h a l u m i n i u m z d o d a t k i e m 1% w st os u n k u do ci ę ż a r u proszku, h a l o g e n k o w e g o a k t y w at or a. P r o c e s a l u m i n i o w a n i a p r o w a d z o n o w t e m p e r a t u r z e 1323 K. Na p o w i e r z c h n i ł op at ki o t r z y m a n o p o k r yc ie , w k t ó r y m s trefa z e w n ę t r z n a z b u d o w a n a była z tl e n k u a l u m i n i u m s t a n o w i ą c e g o w a r s t w ę b a r i e r o w ą dla p r z e p ł y w u ciepła. P on i ż e j st r e f y z e w n ę t r z n e j , na gr an ic y z p od ło że m, o t r z y m a n o s t r e f ę p r z e j ś c i o w ą NiAl s t a n o w i ą c ą d y f u z y j n e p o ł ą c z e n i e p o m i ę d z y b a r i e r ą w a r s t w o w ą A l 2 O 3 a m a t e r i a ł e m po dłoża. Na gr a n i c y z p o d ł o ż e m w y s t ę p u j ą w y d z i e l e n i a z a w i e r a j ą c e p o d w y ż s z o n ą k o n c e n t r a c j ę chromu, m o l i b d e n u , t y t a n u oraz w o l f ramu. O tr z y m a n e p okr y c i e c h a r a k t e r y z u j e się b a rd zo do br ą o d p o r n o ś c i ą na c y k l i c z n e zmiany t e m pe ra t u r y , b ar dzo do br ą p r z y c z e p n o ś c i ą do p o d ł o ż a oraz p o w o d u j e k o r z y s t n e o b n i ż e n i e t e m p e r a tury p o w i e r z c h n i m a t e r i a ł u łopatki.
P r z y k ł a d IV. Ło pa t k ę tu r b i n y w y k o n a n ą m e t o d ą o d l e w a n i a ze s to pu na ba zi e ni kl u o s k ł a d z i e c h e m i c z n y m /w % wa go wy ch /: N i - o s n o w a ; 10,2Cr; 5 , 3 A l ; 2,8Ti; 3 , 7 M o ; 5,2W; 4 , 7 C o ; 0 , 1 4 C ; z w e w n ę t r z n y m i k a n a ł a m i c h ł o d z ą c y m i p o d d a n o n a t r y s k i w a n i u c i e p l n e m u pr zy p o m o c y p i s t o letu p l a z m o w e g o t le nk i e m a lu mi ni um , z a w i e r a j ą c y m 6% w a g o w y c h tlenku tytanu, p o d d a n y m u p r z e d n i o n i k l o wa ni u. Ło patka z tak o t r z y m a n ą w a r s t w ą tl e n k u po d d a n a zo st ał a n a s t ę p n i e d y f u z y j n e m u p r o ce so wi c h r o m o a l u m i n i o w a n i a w t e m p e r a t u r z e 1323 K. Na p o w i e r z c h n i ło pa tk i o t r z y m a n o po kr y c i e
6 1 6 8 462
A l 2 O3 x T i O 2 p o ł ą c z o n e z p o d ł o ż e m d y f u z y j n ą w ar s t w ą NiAl, o ba r d z o du że j p r z y c z e p n o ś c i n i e m o ż l i w e j do o t r z y m a n i a innymi m e t o d a m i . Po kr y c i e spełnia dwa z a s a d n i c z e cele - w a r s t w a z e w n ę t r z n a t l e n k ó w s ta no wi b a r i e r ę c i e p l n ą o b n i ż a j ą c a t e m p e r a t u r ę m a t e r i a ł u ło pa t k i oraz z a p e w n i a b a r d z o w y s o k ą o d p o r n o ś ć na g w a ł t o w n e z miany t e m p e r at ur y i k o r o z j ę w y s o k o t e m p e r a t u r o w ą . W k a n a ł a c h c h ł o d z ą c y c h łopatki o t r z y m a n o w a r s t w ę d yf uz y j n ą s k ł a d a j ą c ą się z z e w n ę t r z n e j s t r e f y Ni Al o ra z p r z e j ś c i o w e j z w y d z i e l e n i a m i w z b o g a c o n y m i w wolfr am , mo li bd en , tytan i chrom. O t r z y m a n e p o k r y c i e d o s k o n a l e c hroni p o w i e r z c h n i ę z ew nę t r z n ą oraz k a n a ł y c h ł o d z ą c e ło pa tk i p rz ed k o r o z j ą w y s o k o t e m p e r a t u r o w ą w ś r o d o w i s k u zw ią z k ó w siarki oraz w w a r u n k a c h c y k l i c z n y c h zm ia n t e m p e r a t u r y .
P r z y k ł a d V. K omora s p a l a n i a si ln ik a l ot ni cz eg o w y k o n a n a ze stopu ż a r o w y t r z y m a ł e g o H N 7 8 T p o k r y t a z o s t a ł a w a r s t w ą c e r a m i c z n ą Z r O 2x 8 % Y 2O3 o t r z y m a n ą p rz ez n a t r y s k i w a n i e c i e p l n e p r z y p o m o c y u r z ą d z e n i a HVOF /high v e l o c i t y oxy fuel sp ra yi ng /. P rz ed n a t r y s k i w a n i e m p r o s z e k p o d d a n o n i k l o w a n i u . N a s t ę p n i e p o w i e r z c h n i a k om or y s pa la ni a z n a t r y s k a n ą w a r s t w ą c e r a m i c z n ą p o d d a n a z o s t a ł a d y f u z y j n e m u c h r o m o a l u m i n i o w a n i u w t e m p e r a t u r z e 1353 K. O t r z y m a n e p o k r y c i e s k ł a d a si ę z tr zec h stref. P i e r w s z a z nich od p ow i e r z c h n i to st r e f a c e r a m i k i Z r 0 2 x Y 2 O 3 d e c y d u j ą c a o o b n i ż e n i u t e m p e r a t u r y m a t e r i a ł u p o d ł o ż a - s t a n o w i ą c a b a r i e r ę c ie plną. N as tępna, ś r o d k o w a s t a n o w i d y f u z y j n e p o ł ą c z e n i e p o m i ę d z y s t r e f ę ze wn ęt r z n ą a m a t e r i a ł e m p od łoża. W s tr e f i e tej na g r a n i c y z p o d ł o ż e m w y r ó ż n ić m o ż n a t r z e c i ą s tr ef ę z w y d ł u ż o n y m i , p r o s t o p a d ł y m i do p o w i e r z c h n i w y d z i e l e n i a m i . O t r z y m a n a s t r u k t u r a w ar st wy za pe w n i a w y s o k ą o d p o r n o ś ć na k or oz ję , o d p o r n o ś ć na c y k l i c z n e zm ia ny t e m p e r a t u r y oraz b ardzo dobrą p r z y c z e p n o ś ć do po dł oż a. Ko m o r a s p a l a n i a u z y s k a ł a z es p ó ł w ł a s n o ś c i n i emożliwy: do uzysk an ia zn an ym i m et odami.
P r z y k ł a d VI. Zawór s i l n i k a s p a l i n o w e g o po kr yt y zo st ał w a r s t w ą ni kl u m e t o d ą g a l w a n i c z n ą , po czym jego p o w i e r z c h n i a c z o ł o w a p ok ry ta zo stała w a r s t w ą c e r a m i c z n ą tl en ku c yr k o n u z a w i e r a j ą c e g o 8% t le nk u itru. P r o s z e k t le nk u Z r 0 2 x Y 2 O 3 Pr ze d n a t r y s k i w a n i e m p ok r y t y zo st ał w a r s t w ą n i k l u m e t o d ą g a l w a n i c z n ą . Z a w ó r z tak w y t w o r z o n y m p o k r y c i e m p o d d a n o p r o c e s o w i d yf u- z y j n e g o c h r o m o a l u m i n i o w a n i a w t e m p e r a t u r z e 132-3 K. O t r z y m a n o p o k r y c i e s t a n o w i ą c e b a r i e r ę c i e p l n ą o d p o r n ą na k o r o z j ę w ga za ch s p a l i n o w y c h oraz o d p o r n ą na c y k l i c z n e z mi an y t e m p e r a t u r y o b a r d z o d o b r e j p r z y c z e p n o ś c i do p o d ł o ż a n i e m o ż l i w e j do o s i ą g n i ę c i a i nnymi me to da mi .
P r z y k ł a d VII. P o w i e r z c h n i a górna tłoka si ln i ka s p a l i n o w e g o w y k o n a n e g o ze stopu że l a z a p o k r y t a z os t a ł a w ar s t w ą n i k l u m e t o d ą g al wa ni cz ną , a n a s t ę p n i e p o d d a n a n a t r y s k i w a n i u c i e p l n e m u p r o s z k i e m t le nk u a l u m i n i u m z a w i e r a j ą c y m 6% w a g o w y c h tl e n k u tytanu. P r o s z e k pr ze d n a t r y s k i w a n i e m p o k r y w a n o w a r s t w ą niklu. N a t r y s k i w a n i e ci e p l n e p r o w a d z o n o p rz y p o m o c y u r z ą d z e n i a p l a z m o w e g o . Po p r o c e s i e n a t r y s k i w a n i a o t r z y m a n ą w a r s t w ę c e r a m i c z n ą p o d d a n o p r o c e s o w i d y f u z y j n e g o n a s y c a n i a m e t o d ą k o n t a k t o w o - g a z o w ą w m i e s z a n i n i e z a w i e r a j ą c e j p r o s z e k s to p o w y n i k l u i al u m i n i u m . Na p o w i e r z c h n i tł ok a o t r z y m a n o p o k r y c i e s k ł a d a j ą c e się z dw óc h stref:
z e w n ę t r z n e j c e r a m i c z n e j oraz d y f u z y j n e j w y s t ę p u j ą c e j p o m i ę d z y st r e f ą z e w n ę t r z n ą i podło że m.
O t r z y m a n e p o k r y c i e na p o w i e r z c h n i tł ok a st an ow i ba r i e r ę c i e p l n ą o b a r d z o m a ł e j p r z e w o d n o ś c i c i e p l n e j o ra z b a r d z o w y s o k i e j p r z y c z e p n o ś c i do podłoża, od p o r n e na o d d z i a ł y w a n i e ga zó w s p a l i n o w y c h , z w i ę k s z a j ą c e w ła sn o ś c i e k s p l o a t a c y j n e .
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.
Cena 1,50 zł