RU2763953C1 - Combined protective coating - Google Patents
Combined protective coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2763953C1 RU2763953C1 RU2021106429A RU2021106429A RU2763953C1 RU 2763953 C1 RU2763953 C1 RU 2763953C1 RU 2021106429 A RU2021106429 A RU 2021106429A RU 2021106429 A RU2021106429 A RU 2021106429A RU 2763953 C1 RU2763953 C1 RU 2763953C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- layer
- protective
- microns
- fraction
- Prior art date
Links
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 49
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 21
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 8
- CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N gadolinium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Gd+3].[Gd+3] CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910001938 gadolinium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229940075613 gadolinium oxide Drugs 0.000 claims abstract description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 76
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 66
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 abstract description 20
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 abstract description 20
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 18
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 14
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 7
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 7
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 4
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000009993 protective function Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
Images
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
- C23C14/08—Oxides
- C23C14/083—Oxides of refractory metals or yttrium
-
- 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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
- C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области комбинированных покрытий, которые могут использоваться для защиты от коррозионного воздействия химически активной среды конструкций различного производственного назначения. Изобретение может быть использовано в процессе эксплуатации конструкций при высоких температурах, где требуется сохранение работоспособности деталей при воздействии агрессивной среды с температурой 800-1000°С, например, в металлургии, атомной энергетике, в космической и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of combined coatings that can be used to protect against the corrosive effects of a chemically active environment of structures for various industrial purposes. The invention can be used in the operation of structures at high temperatures, where it is required to maintain the performance of parts when exposed to an aggressive environment with a temperature of 800-1000°C, for example, in metallurgy, nuclear energy, space and other industries.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
Известен способ, описанный в патенте РФ №2260071 «Способ нанесения теплозащитного эрозионно-стойкого покрытия», МПК: С23С 4/04, С23С 4/12; заявка: №2004128749/02, приоритет 30.09.2004; опубликовано 10.09.2005, авторы: Балдаев Л.Х. (RU), Лупанов В.А. (RU), Шестеркин Н.Г. (RU), Шатов А.П. (RU), Зубарев Г.И. (RU), Гойхенберг М.М. (RU).The known method is described in RF patent No. 2260071 "Method of applying a thermal erosion-resistant coating", IPC:
В способе получения теплозащитного покрытия, включающем плазменное напыление на поверхность изделия металлического подслоя из сплава на никелевой основе и последующее нанесение керамического покрытия из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, путем послойного плазменного напыления, при этом послойное напыление керамического покрытия осуществляют таким образом, что последующий слой наносят из порошков с фракцией, меньшей, чем предыдущий, и формируют пористость керамического покрытия, уменьшающуюся по перечному сечению к верхнему слою, который формируют с пористостью <1%.In a method for producing a heat-shielding coating, including plasma spraying of a nickel-based metal sublayer on the surface of an article and subsequent deposition of a ceramic coating of yttria-stabilized zirconium oxide by layer-by-layer plasma spraying, the layer-by-layer deposition of the ceramic coating is carried out in such a way that the subsequent layer is applied from powders with a fraction less than the previous one, and the porosity of the ceramic coating is formed, decreasing in cross section towards the upper layer, which is formed with a porosity of <1%.
Существенные признаки, общие с признаками изобретения: комбинированное защитное покрытие, содержащее металлический подслой, керамическое покрытие из оксида циркония, послойное напыление керамического покрытия, последующий слой керамического покрытия наносят из порошков с фракцией, меньшей, чем предыдущий.Essential features common to the features of the invention: a combined protective coating containing a metal sublayer, a ceramic coating of zirconium oxide, a layer-by-layer deposition of a ceramic coating, a subsequent layer of a ceramic coating is applied from powders with a fraction less than the previous one.
Недостатком данного способа является отсутствие термопластичного слоя в виде наружного покрытия, поскольку при использовании данного покрытия в качестве защиты от влияния агрессивной среды возможно проникновение активных элементов среды в покрытие через микропоры и несплошности поверхностного слоя. Это может привести к повреждению защитного покрытия и разрушению конструкции в целом. Кроме этого, в качестве металлического подслоя используется покрытие из жаропрочного сплава на основе никеля, которое выполняет в основном функцию защиты деталей в условиях высоких температур. Применение жаростойкого никеля не обеспечит стойкость покрытия в условиях воздействия жидкометаллического расплава, что может привести к появлению коррозии на изделиях. То есть, при влиянии различной активной среды в результате взаимодействия элементов активной среды с покрытием на никелевой основе возможно образование эвтектики на основе интерметаллидов, что также может привести к жидкометаллической коррозии и разрушению покрытия. Кроме того, значения коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) никеля значительно отличается от КЛТР ZrO2, что может привести к адгезионному разрушению покрытия в процессе тепловых воздействий.The disadvantage of this method is the absence of a thermoplastic layer in the form of an outer coating, since when using this coating as a protection against the influence of an aggressive environment, the penetration of active elements of the environment into the coating through micropores and discontinuities of the surface layer is possible. This can lead to damage to the protective coating and destruction of the structure as a whole. In addition, a nickel-based heat-resistant alloy coating is used as a metal sublayer, which mainly performs the function of protecting parts at high temperatures. The use of heat-resistant nickel will not ensure the durability of the coating under the influence of a liquid metal melt, which can lead to corrosion on products. That is, under the influence of a different active medium, as a result of the interaction of elements of the active medium with a nickel-based coating, the formation of eutectics based on intermetallic compounds is possible, which can also lead to liquid metal corrosion and destruction of the coating. In addition, the coefficients of linear thermal expansion (CLTE) of nickel are significantly different from those of ZrO 2 , which can lead to adhesive destruction of the coating during thermal exposure.
Для получения покрытия с пористостью менее 1% и толщиной 10-15 мкм могут возникнуть сложности без применения специального оборудования, например плазменных горелок с высокоскоростным истечением струи. Предполагаемая толщина покрытия в аналоге будет более 100 мкм, что превышает требуемые допустимые значения.To obtain a coating with a porosity of less than 1% and a thickness of 10-15 microns, it can be difficult without the use of special equipment, such as plasma torches with a high jet flow. The expected coating thickness in the analog will be more than 100 microns, which exceeds the required allowable values.
В качестве прототипа было выбрано техническое решение, описанное в патенте РФ №2285749 «Многослойное защитное покрытие», МПК: С23С 28/00, В32В 18/00, заявка: 2004131345/02, приоритет: 26.10.2004; опубликовано 20.10.2006, авторы: Сорокин А.Н. (RU), Белоусов С.В. (RU), Агафонов С.А. (RU), Исламгулов Ф.Ф. (RU), Дровосеков СП. (RU).As a prototype, the technical solution described in the RF patent No. 2285749 "Multilayer protective coating", IPC: C23C 28/00, B32B 18/00, application: 2004131345/02, priority: 10/26/2004 was chosen; published on October 20, 2006, authors: Sorokin A.N. (RU), Belousov S.V. (RU), Agafonov S.A. (RU), Islamgulov F.F. (RU), Drovosekov SP. (RU).
Многослойное защитное покрытие содержит металлический слой-основу, адгезионный слой и защитный слой. Защитный слой выполнен из двух внутреннего и наружного подслоев, каждый из которых имеет композиционную структуру и содержит керамическую матрицу и наполнитель. Матрица внутреннего подслоя выполнена в виде жесткого каркаса, в порах которого расположен наполнитель. Матрица наружного подслоя выполнена в виде твердых частиц, не имеющих жесткого сцепления друг с другом и расположенных в слое наполнителя. В качестве матрицы во внутреннем подслое используют оксид циркония или гадолиния, а в качестве наполнителя - материал на основе оксидов алюминия, хрома, фосфора. В наружном подслое используют материал на основе легкоплавкого стекла и оксида циркония.The multilayer protective coating contains a metal base layer, an adhesive layer and a protective layer. The protective layer is made of two inner and outer sublayers, each of which has a composite structure and contains a ceramic matrix and a filler. The matrix of the inner sublayer is made in the form of a rigid frame, in the pores of which the filler is located. The matrix of the outer sublayer is made in the form of solid particles that do not have rigid adhesion to each other and are located in the filler layer. Zirconium or gadolinium oxide is used as a matrix in the inner sublayer, and a material based on oxides of aluminum, chromium, and phosphorus is used as a filler. In the outer sublayer, a material based on fusible glass and zirconium oxide is used.
Существенные признаки, общие с признаками изобретения: многослойное защитное покрытие содержит адгезионный слой и защитный слой, защитный слой выполнен из двух внутреннего и наружного подслоев.Essential features common to the features of the invention: a multilayer protective coating contains an adhesive layer and a protective layer, the protective layer is made of two inner and outer sublayers.
Покрытие, описанное в прототипе, обеспечивает хорошую защиту от жидкометаллической коррозии. Однако при создании данного покрытия необходимо заполнить поры керамической матрицы, выполненной из диоксида циркония. Заполнение пор получают пропиткой керамического покрытия раствором на основе оксидов алюминия (Al), хрома (Cr), фосфора (Р) с последующей термической обработкой пропитывающего состава при температуре 500°С.The coating described in the prototype provides good protection against liquid metal corrosion. However, when creating this coating, it is necessary to fill the pores of the ceramic matrix made of zirconium dioxide. Pore filling is obtained by impregnating a ceramic coating with a solution based on oxides of aluminum (Al), chromium (Cr), phosphorus (P), followed by heat treatment of the impregnating composition at a temperature of 500°C.
Недостатком прототипа является выполнение термической обработки деталей после пропитки покрытия составом на основе Al, Р, Cr для заполнения поверхностных пор в покрытии. После термической обработки происходит окисление изделий и возможно появление цветов побежалости (в зависимости от материала изделия), которые необходимо удалять, а это требует дополнительную технологию очистки. Кроме этого, при термической обработке происходит ухудшение когезионной и адгезионной прочности покрытия из-за разницы КЛТР покрытия и подложки.The disadvantage of the prototype is the implementation of heat treatment of parts after impregnation of the coating composition based on Al, P, Cr to fill the surface pores in the coating. After heat treatment, products are oxidized and tint colors may appear (depending on the material of the product), which must be removed, and this requires additional cleaning technology. In addition, during heat treatment, the cohesive and adhesive strength of the coating deteriorates due to the difference in the CLTE of the coating and the substrate.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение когезионной и адгезионной прочности покрытия при упрощении технологии создания комбинированного покрытия.The task to be solved by the claimed invention is to improve the cohesive and adhesive strength of the coating while simplifying the technology of creating a combined coating.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в снижении пористости плазменного покрытия при сохранении защитных свойств покрытия в целом; исключении операций пропитки покрытий, термообработки деталей и очистки кромок деталей от окислов после термообработки.The technical result achieved in solving this problem is to reduce the porosity of the plasma coating while maintaining the protective properties of the coating as a whole; exclusion of operations of impregnation of coatings, heat treatment of parts and cleaning of the edges of parts from oxides after heat treatment.
Технический результат достигается тем, что в комбинированном защитном покрытии, содержащем адгезионный слой, внутренний защитный слой, наружный защитный слой, согласно изобретению, внутренний защитный слой выполнен из двух слоев керамического покрытия, первый из которых, выполнен толщиной 25-40 мкм, из порошка с фракцией 40-100 мкм, второй выполнен толщиной 20-35 мкм, из порошка с фракцией 5-25 мкм..The technical result is achieved by the fact that in a combined protective coating containing an adhesive layer, an inner protective layer, an outer protective layer, according to the invention, the inner protective layer is made of two layers of a ceramic coating, the first of which is made with a thickness of 25-40 microns, from a powder with with a fraction of 40-100 microns, the second one is made with a thickness of 20-35 microns, from a powder with a fraction of 5-25 microns.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата - снижение пористости плазменного покрытия при сохранении защитных свойств покрытия в целом; исключении операций пропитки покрытий, термообработки деталей, очистки кромок деталей от окислов после термообработки.The combination of these essential features provides a technical result - reducing the porosity of the plasma coating while maintaining the protective properties of the coating as a whole; exclusion of operations of impregnation of coatings, heat treatment of parts, cleaning of the edges of parts from oxides after heat treatment.
Это позволяет решить задачу улучшения когезионной и адгезионной прочности покрытия при упрощении технологии создания комбинированного покрытия.This makes it possible to solve the problem of improving the cohesive and adhesive strength of the coating while simplifying the technology for creating a combined coating.
Упрощение технологического процесса происходит в результате исключения операции пропитки и способствует исключению следующей за ней операции термообработки. Выполнение термообработки, как правило, приводит к окислению поверхностей деталей с образованием цветов побежалости, которые необходимо удалять механическим или химическим способом, например, перед выполнением операций сварки, пайки и т.д. При термообработке также возможно снижение адгезии на границе керамического и металлического покрытия.The simplification of the technological process occurs as a result of the exclusion of the impregnation operation and contributes to the exclusion of the subsequent heat treatment operation. Heat treatment generally oxidizes the surfaces of parts, producing tints that must be removed mechanically or chemically, eg before welding, soldering, etc. During heat treatment, it is also possible to reduce adhesion at the interface between the ceramic and metal coatings.
Выполнение керамического покрытия в два слоя с разной дисперсностью порошка из диоксида циркония ZrO2 или из оксида гадолиния Gd2O3 приводит к увеличению плотности покрытия и улучшению когезионной и адгезионной прочности покрытия.Performing a ceramic coating in two layers with different dispersion powder of zirconium dioxide ZrO 2 or gadolinium oxide Gd 2 O 3 leads to an increase in the density of the coating and improve the cohesive and adhesive strength of the coating.
Достигаемый результат обеспечивается не только наличием известных отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия их с другими существенными признаками заявляемого способа. Это позволяет расширить функциональные возможности способа, обеспечить решение задачи.The achieved result is provided not only by the presence of known distinguishing features, but also depends on their interaction with other essential features of the proposed method. This allows you to expand the functionality of the method, to provide a solution to the problem.
Расширенная функция, обеспечиваемая известными и отличительными признаками, и получение неочевидного результата от использования этих признаков в виде улучшения когезионной и адгезионной прочности покрытия свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".An extended function provided by known and distinctive features, and obtaining an unobvious result from the use of these features in the form of an improvement in the cohesive and adhesive strength of the coating indicates that the proposed technical solution meets the "inventive step" criterion.
Краткое описание фигур чертежаBrief description of drawing figures
На фиг. 1 показана схема расположения слоев комбинированного защитного покрытия.In FIG. 1 shows the layout of the layers of the combined protective coating.
На фиг. 2 показана таблица зависимости пористости покрытия и адгезионной прочности от фракции применяемого порошка.In FIG. 2 shows a table showing the dependence of the porosity of the coating and the adhesive strength on the fraction of the powder used.
На фиг. 3 показан снимок шлифа покрытия из диоксида циркония при использовании порошка с фракцией 5-25 мкм.In FIG. 3 shows a snapshot of a section of a zirconia coating using a powder with a fraction of 5-25 microns.
На фиг. 4 показан снимок шлифа покрытия из диоксида циркония при использовании порошка с фракцией 40-100 мкм.In FIG. 4 shows a snapshot of a section of a zirconia coating using a powder with a fraction of 40-100 microns.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
В металлургическом производстве, а так же в реакторах на АЭС, существует необходимость использовать такие конструкции как замкнутые корпуса, контейнеры, трубы и т.д., которые должны выдерживать воздействие агрессивных сред с повышенной температурой. Для этого на них наносят комбинированное защитное покрытие.In metallurgical production, as well as in reactors at nuclear power plants, there is a need to use such structures as closed vessels, containers, pipes, etc., which must withstand the impact of aggressive environments with elevated temperatures. To do this, they apply a combined protective coating.
Комбинированное защитное покрытие формируют следующим образом. Как показано на фиг. 1, на металлический слой-основу 1 из стали аустенитного класса 12Х18Н10Т наносят адгезионный слой 2. В качестве материала слоя-основы 1 возможно применение широкого спектра сталей и сплавов кроме химически активных металлов. Так как при нанесении адгезионного слоя 2 на конструкцию из химически активных металлов и сплавов возможно окисление конструкции и появление цветов побежалости, что способствует снижению адгезионной и когезионной прочности покрытия.The combined protective coating is formed as follows. As shown in FIG. 1, an
На адгезионный слой 2 наносят первый защитный слой 3, на который наносят второй защитный слой 4, который сверху покрывают наружным защитным слоем 5.The first
Причем первый защитный слой 3 выполнен из порошка с фракцией 40-100 мкм, а второй защитный слой 4 выполнен из порошка с фракцией 5-25 мкм.Moreover, the first
Защитные слои 3 и 4 могут быть выполнены из таких видов керамического покрытия как диоксид циркония ZrO2 или оксид гадолиния Gd2O3. Применение данных видов керамических покрытий обусловлено, прежде всего, близкими показателями теплозащитных свойств покрытий, в частности, это теплостойкость и жаростойкость при эксплуатации изделий в условиях воздействия агрессивных сред. Кроме этого, значения КЛТР данных покрытий очень близки к значению КЛТР адгезионного слоя 2 и наружного слоя 5. Это обеспечивает улучшение адгезионной и когезионной прочности комбинированного защитного покрытия.
Наружный слой 5 комбинированного защитного покрытия при обычных условиях имеет жесткую композиционную структуру. Основу наружного слоя 5 составляет вольфрамовое стекло с добавлением твердых оксидных частиц. Наличие этих частиц в наружном слое 5 обеспечивает подвижность наружного слоя 5 и позволяет удерживать его на поверхностях с малыми радиусами, с помощью варьирования размеров и концентрации твердых оксидных частиц.The
Наружный слой 5 во время эксплуатации деталей с защитным покрытием и термическом воздействии агрессивной среды становится пластичным, проникает в возможные поверхностные дефекты второго защитного слоя 4 и препятствует проникновению жидкометаллической коррозии к металлическому слою-основе 1.The
Предлагаемое комбинированное защитное покрытие обеспечивает защиту поверхностей конструкций различного назначения от коррозионного воздействия агрессивной среды за счет функциональных свойств покрытия. Особенностью комбинированного защитного покрытия является послойное нанесение керамических защитных слоев 3 и 4 для снижения пористости и улучшения когезионной и адгезионной прочности покрытия при сохранении защитных функций покрытия в целом.The proposed combined protective coating protects the surfaces of structures for various purposes from the corrosive effects of an aggressive environment due to the functional properties of the coating. A feature of the combined protective coating is the layer-by-layer application of ceramic
Были проведены эксперименты с нанесением защитного покрытия в один слой, при этом использовали порошки с фракцией 40-100 мкм и с фракцией 5-25 мкм. При нанесении керамического покрытия в один слой с использованием порошков с фракцией 40-100 мкм открытая и закрытая пористость покрытия находилась в интервале от 9 до 20%, как показано на фиг. 4. Покрытие обеспечивало, прежде всего, теплозащитные свойства, такие как теплостойкость и жаростойкость. Однако наличие в нем открытой и закрытой пористости в достаточно большом интервале приводило к проникновению элементов агрессивной среды или активных растворов к поверхностям деталей, к ухудшению когезионной и адгезионной прочности покрытия, дальнейшему растрескиванию и отслоению покрытий, что, в свою очередь, приводило к разрушению конструкции изделия.Experiments were carried out with the application of a protective coating in one layer, while using powders with a fraction of 40-100 microns and with a fraction of 5-25 microns. When applying ceramic coating in one layer using powders with a fraction of 40-100 μm, the open and closed porosity of the coating was in the range from 9 to 20%, as shown in Fig. 4. The coating provided, first of all, heat-shielding properties, such as heat resistance and heat resistance. However, the presence of open and closed porosity in it in a sufficiently large range led to the penetration of elements of an aggressive environment or active solutions to the surfaces of parts, to a deterioration in the cohesive and adhesive strength of the coating, to further cracking and peeling of the coatings, which, in turn, led to the destruction of the product structure. .
При нанесении керамического покрытия в один слой с использованием порошков с фракцией 5-25 мкм открытая и закрытая пористость покрытия находилась в интервале от 1,5 до 3%. Покрытие с пониженной пористостью, как правило, являлось более плотным, как показано на фиг. 3. Это значительно снижало вероятность проникновения элементов агрессивной среды к поверхностям деталей, но при этом ухудшало теплозащитные свойства покрытия и стойкость к растрескиванию покрытия. В результате ухудшались когезионная и адгезионная прочности покрытия, его отслоение и разрушение.When applying a ceramic coating in one layer using powders with a fraction of 5-25 μm, the open and closed porosity of the coating was in the range from 1.5 to 3%. The reduced porosity coating was generally denser, as shown in FIG. 3. This significantly reduced the likelihood of penetration of elements of an aggressive environment to the surfaces of parts, but at the same time worsened the heat-shielding properties of the coating and the resistance to cracking of the coating. As a result, the cohesive and adhesive strength of the coating, its delamination and destruction worsened.
В обоих вариантах нанесения покрытия по разным причинам ухудшались когезионная и адгезионная прочности покрытия, что приводило к его отслоению и разрушению.In both variants of coating, for various reasons, the cohesive and adhesive strength of the coating deteriorated, which led to its delamination and destruction.
В предлагаемом техническом решении наносят защитное покрытие в виде слоев 3 из порошка с крупной фракцией и 4 из порошка с мелкой фракцией. Технологический подход к нанесению защитного покрытия слоями 3 и 4 обеспечивает теплозащитные свойства покрытия (жаростойкость, теплостойкость), за счет нанесения первого защитного слоя 3 с большей фракцией порошка, и пониженную пористость за счет нанесения второго защитного слоя 4 с меньшей фракцией порошка.In the proposed technical solution, a protective coating is applied in the form of
При этом получают неожиданный эффект - обеспечивается адгезионная и когезионная прочность защитных покрытий 3 и 4 за счет одинаковых коэффициентов КЛТР защитных покрытий 3 и 4, увеличивается стойкость к проникновению элементов агрессивной среды, улучшаются теплозащитные свойства покрытия.In this case, an unexpected effect is obtained - the adhesive and cohesive strength of
Как показано на фиг. 1, на первом этапе плазменно-дуговым методом на поверхность металлической основы 1 наносят адгезионный слой 2 из тугоплавкого металла в виде вольфрама. На следующем этапе наносят также плазменно-дуговым способом защитные слои 3 и 4 в виде керамического покрытия из диоксида циркония (ZrO2) или из оксида гадолиния (Gd2O3). Первый слой 3 напыляют с использованием порошка с большей фракцией, чем для последующего второго слоя 4.As shown in FIG. 1, at the first stage, an
Далее в описании будем использовать только диоксид циркония, так как технический результат для обоих покрытий ZrO2 и Gd2O3 одинаков. Первый слой 3 диоксида циркония напыляют до толщины 25-40 мкм из порошка фракции 40-100 мкм. Второй слой 4 диоксида циркония напыляют до толщины 20-35 мкм из порошка фракции 5-25 мкм. Толщина слоев продиктована требованиями к толщине готового комбинированного защитного покрытия.Further in the description we will use only zirconium dioxide, since the technical result for both ZrO 2 and Gd 2 O 3 coatings is the same. The
При таком варианте послойного нанесения диоксида циркония защитное покрытие с внешней стороны формируется с пониженной пористостью плазменного покрытия ZrO2 при сохранении защитных свойств покрытия в целом по сравнению с прототипом. В прототипе пористость защитного покрытия примерно составляла 9%. Там за счет пропитки заполняли поверхностные поры. Снижение пористости в предлагаемом решении обеспечивает более равномерное формирование защитного покрытия с увеличенной плотностью, что приводит к улучшению когезионной и адгезионной прочности покрытия.With this version of the layer-by-layer deposition of zirconium dioxide, the protective coating on the outside is formed with a reduced porosity of the ZrO 2 plasma coating while maintaining the protective properties of the coating as a whole compared to the prototype. In the prototype, the porosity of the protective coating was approximately 9%. There, due to impregnation, the surface pores were filled. The reduction in porosity in the proposed solution provides a more uniform formation of a protective coating with increased density, which leads to an improvement in the cohesive and adhesive strength of the coating.
Комбинация послойного нанесения приводит к увеличению плотности защитного покрытия и улучшению когезионной и адгезионной прочности покрытия.The combination of layer-by-layer application leads to an increase in the density of the protective coating and an improvement in the cohesive and adhesive strength of the coating.
На фиг. 2 приведена таблица со средними значениями пористости покрытий из диоксида циркония и средними значениями адгезионной прочности в зависимости от фракции применяемого порошка. Результаты получены в процессе выполнения экспериментальных исследований. Из этой таблицы видно, что с уменьшением размера фракций порошка ZrO2 уменьшается пористость покрытия, и увеличивается адгезионная прочность. Наименьшее среднее значение пористости покрытия 2,4% и наибольшее среднее значение адгезионной прочности 232 кгс/см2 составляют при использовании порошка с фракцией 5-25 мкм.In FIG. Table 2 shows the average values of the porosity of zirconia coatings and the average values of adhesion strength depending on the fraction of the powder used. The results were obtained in the process of performing experimental studies. From this table it can be seen that with a decrease in the size of the ZrO 2 powder fractions, the porosity of the coating decreases and the adhesion strength increases. The lowest average coating porosity of 2.4% and the highest average adhesive strength of 232 kgf/cm 2 are when using a powder with a fraction of 5-25 μm.
Таким образом, технологический подход к нанесению диоксида циркония в два слоя обеспечивает теплозащитные свойства покрытия за счет нанесения первого слоя 6 с большей фракцией порошка и пониженную пористость за счет нанесения второго слоя 7 с меньшей фракцией порошка.Thus, the technological approach to applying zirconium dioxide in two layers provides the heat-shielding properties of the coating due to the application of the first layer 6 with a larger powder fraction and reduced porosity due to the application of the second layer 7 with a smaller powder fraction.
В предлагаемом решении упрощается технология создания комбинированного покрытия по сравнению с прототипом, которая заключается в исключении операции пропитки слоя из диоксида циркония составом на основе Al, Р, Cr и последующей термической обработки. В прототипе она обязательно должна была проводиться для пиролитического разложения состава на основе Al, Р, Cr с заполнением пор в плазменном покрытии из диоксида циркония. В результате термической обработки покрытия происходило окисление поверхности детали и образование цветов побежалости. Их требовалось удалять механическим или химическим способом перед выполнением операций пайки, или сварки. Кроме этого термическая обработка способствовала снижению адгезионной и когезионной прочности покрытия.The proposed solution simplifies the technology of creating a combined coating in comparison with the prototype, which consists in the exclusion of the impregnation of a layer of zirconium dioxide with a composition based on Al, P, Cr and subsequent heat treatment. In the prototype, it must have been carried out for the pyrolytic decomposition of the composition based on Al, P, Cr with filling the pores in the plasma coating of zirconium dioxide. As a result of the heat treatment of the coating, the surface of the part was oxidized and tint was formed. They had to be removed mechanically or chemically before soldering or welding. In addition, heat treatment contributed to a decrease in the adhesive and cohesive strength of the coating.
В предлагаемом решении термическая обработка исключена. Вследствие чего экономится энергия на нагрев, исключаются операции очищения окисных пленок с поверхности, улучшается когезионная и адгезионная прочность покрытия, при упрощении технологии создания комбинированного покрытия.In the proposed solution, heat treatment is excluded. As a result, energy for heating is saved, the operations of cleaning oxide films from the surface are excluded, the cohesive and adhesive strength of the coating is improved, while simplifying the technology for creating a combined coating.
Промышленная применимостьIndustrial Applicability
Наиболее эффективно выглядит использование комбинированного защитного покрытия в машиностроении, атомной энергетике, в космической и других отраслях промышленности. Там, где необходимо обеспечить защиту поверхностей деталей от коррозионного воздействия химически активной среды и работоспособность конструкций изделий при воздействии высокотемпературной агрессивной среды.The most effective is the use of a combined protective coating in mechanical engineering, nuclear power, space and other industries. Where it is necessary to ensure the protection of the surfaces of parts from the corrosive effects of a chemically active environment and the performance of product designs when exposed to a high-temperature aggressive environment.
Предлагаемое комбинированное защитное покрытие обеспечивает технический результат, заключающийся в снижении пористости плазменного покрытия ZrO2 при сохранении защитных свойств покрытия в целом; исключении операций пропитки покрытий, термообработки деталей, очистки кромок деталей от окислов после термообработки. Рассмотренный вариант выполнения изобретения был реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это подтверждает его работоспособность и промышленную применимость.The proposed combined protective coating provides the technical result, which consists in reducing the porosity of the ZrO 2 plasma coating while maintaining the protective properties of the coating as a whole; exclusion of operations of impregnation of coatings, heat treatment of parts, cleaning of the edges of parts from oxides after heat treatment. The considered embodiment of the invention was implemented on currently existing equipment using available materials. This confirms its performance and industrial applicability.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021106429A RU2763953C1 (en) | 2021-03-11 | 2021-03-11 | Combined protective coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021106429A RU2763953C1 (en) | 2021-03-11 | 2021-03-11 | Combined protective coating |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2763953C1 true RU2763953C1 (en) | 2022-01-11 |
Family
ID=80040139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021106429A RU2763953C1 (en) | 2021-03-11 | 2021-03-11 | Combined protective coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2763953C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115927995A (en) * | 2022-12-26 | 2023-04-07 | 中国科学院赣江创新研究院 | A kind of thermal protective coating of tungsten-copper composite material and its preparation method and application |
| RU2816827C1 (en) * | 2023-10-02 | 2024-04-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Multilayer thermionic protective coating for heat-resistant alloy part |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0776985B1 (en) * | 1995-12-02 | 2001-12-19 | ALSTOM (Schweiz) AG | Method for applying a metallic adhesion layers for ceramic insulating layer on metallic articles |
| RU2228389C2 (en) * | 1998-10-01 | 2004-05-10 | Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн | Method of thermal protection and metal article with ceramic coat (versions) |
| RU2285749C2 (en) * | 2004-10-26 | 2006-10-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Multi-layer protective coat |
| RU2392349C2 (en) * | 2005-11-24 | 2010-06-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Coating for part out of heat-resistant alloy based on iron or nickel or cobalt |
| EP2468925A2 (en) * | 2010-12-21 | 2012-06-27 | Sulzer Metco AG | Method for producing a thermal insulation layer construction |
| RU2591932C1 (en) * | 2015-06-10 | 2016-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of wear-resistant coating producing |
-
2021
- 2021-03-11 RU RU2021106429A patent/RU2763953C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0776985B1 (en) * | 1995-12-02 | 2001-12-19 | ALSTOM (Schweiz) AG | Method for applying a metallic adhesion layers for ceramic insulating layer on metallic articles |
| RU2228389C2 (en) * | 1998-10-01 | 2004-05-10 | Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн | Method of thermal protection and metal article with ceramic coat (versions) |
| RU2285749C2 (en) * | 2004-10-26 | 2006-10-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Multi-layer protective coat |
| RU2392349C2 (en) * | 2005-11-24 | 2010-06-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Coating for part out of heat-resistant alloy based on iron or nickel or cobalt |
| EP2468925A2 (en) * | 2010-12-21 | 2012-06-27 | Sulzer Metco AG | Method for producing a thermal insulation layer construction |
| EP2468925A3 (en) * | 2010-12-21 | 2013-01-16 | Sulzer Metco AG | Method for producing a thermal insulation layer construction |
| RU2591932C1 (en) * | 2015-06-10 | 2016-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method of wear-resistant coating producing |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115927995A (en) * | 2022-12-26 | 2023-04-07 | 中国科学院赣江创新研究院 | A kind of thermal protective coating of tungsten-copper composite material and its preparation method and application |
| RU2816827C1 (en) * | 2023-10-02 | 2024-04-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Multilayer thermionic protective coating for heat-resistant alloy part |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4808487A (en) | Protection layer | |
| US4198442A (en) | Method for producing elevated temperature corrosion resistant articles | |
| US4457948A (en) | Quench-cracked ceramic thermal barrier coatings | |
| US4639399A (en) | Nickel oxide, ceramic insulated, high temperature coating | |
| EP2071049A1 (en) | Y2O3 Spray-coated member and production method thereof | |
| EP2947062B1 (en) | Method for joining ceramic to metal | |
| EP3156514B1 (en) | Method for producing laminate | |
| CA2110007A1 (en) | Thermal barrier coating process | |
| DE112008003502T5 (en) | Method for improving resistance to CMAS infiltration | |
| WO2007023976A1 (en) | Structural member coated with spray coating film excellent in damage resistance and the like, and method for production thereof | |
| DE112008003501T5 (en) | Thermal barrier coating systems including a rare earth aluminate layer for improved resistance to CMAS infiltration and coated articles | |
| JPH11222661A (en) | Strain-allowable ceramic coating | |
| RU2763953C1 (en) | Combined protective coating | |
| US4055706A (en) | Processes for protecting refractory metallic components against corrosion | |
| JP2023503093A (en) | Double layer protective coating for metal parts | |
| Das et al. | Thermal cyclic behavior of glass–ceramic bonded thermal barrier coating on nimonic alloy substrate | |
| EP0569585B1 (en) | Process for producing immersion member of molten metal bath | |
| US6123998A (en) | Ceramic coating method for metallic substrate utilizing a transitional layer of ceramic-metal | |
| JP3838991B2 (en) | Thermal spray coating coated member having self-sealing action, manufacturing method thereof and sealing method | |
| Abbas et al. | Enhancement of the hardness and wear-resistance of aluminum-silicon alloy using atmospheric plasma-sprayed ZrO2, Al2O3-ZrO2 multilayer, and Al2O3/ZrO2 composite coatings | |
| RU2260071C1 (en) | Method of application of heat-insulating erosion-resistant coat | |
| JPH1161438A (en) | Thermal barrier coating member and method of manufacturing the same | |
| Pugacheva et al. | Studying the structure and adhesion strength of thermal barrier coating | |
| US20080187773A1 (en) | Method for the Protection of Titanium Alloys Against High Temperatures and Material Produced | |
| RU2191218C2 (en) | Method of obtaining protective coating on product manufactured from heat- resistant refractory alloy |