Покрытия MCrAlY: порошки NiCrAlY и CoNiCrAlY для жаростойкого слоя и термобарьера

Материал подготовлен техническими специалистами компании «Компаньон Консалт» — инжиниринг и поставка металлообрабатывающего оборудования и порошковых материалов. Ниже — как работает жаростойкий сплав MCrAlY, зачем он нужен под керамикой термобарьерного покрытия и как выбрать между никелевой и кобальтовой основой. Состав и фракцию порошка подбирают под деталь, среду и способ нанесения.

MCrAlY — класс жаростойких сплавов для покрытий деталей, которые работают в потоке горячего газа: лопаток газотурбинных установок (ГТУ), деталей газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Покрытие защищает металл детали от окисления и горячей коррозии. Оно работает самостоятельно или как подслой под керамику термобарьерного покрытия. В каталоге это порошки NiCrAlY и CoNiCrAlY для плазменного напыления и HVOF.

Что такое MCrAlY и за что отвечает каждый элемент

Название читается по составу: M — основа сплава, за ней хром, алюминий и иттрий. У каждого компонента своя часть защиты.

• M — основа. В покрытиях газовых турбин это никель, кобальт или оба вместе. Отсюда два состава в линейке: NiCrAlY и CoNiCrAlY. От основы зависит, что покрытие переносит лучше: окисление или горячую коррозию.
• Cr — хром. Повышает стойкость к горячей (сульфидной) коррозии — разрушению металла под действием серы и солей из топлива и воздуха.
• Al — алюминий. При нагреве образует на поверхности плотную плёнку оксида алюминия, и она защищает от окисления. Плёнка восстанавливается за счёт алюминия из слоя, поэтому его запас в покрытии постепенно расходуется.
• Y — иттрий. Малая добавка. Улучшает сцепление оксидной плёнки с покрытием и уменьшает её отслаивание при нагреве и охлаждении.

Сплав работает в двух режимах. В первом MCrAlY — самостоятельное жаростойкое покрытие, наружный слой в контакте с газом. Во втором — подслой термобарьерного покрытия: снаружи керамика, а сплав защищает металл под ней и держит её на детали.

Термобарьерное покрытие: как работают подслой MCrAlY и керамика YSZ

Термобарьерное покрытие снижает температуру металла детали. Снизу вверх система выглядит так:

1. Основа — деталь из жаропрочного сплава.
2. Подслой MCrAlY — сцепление с основой и защита металла от окисления.
3. Оксидная плёнка — растёт при работе на границе подслоя и керамики, её называют термически выращенным оксидом. Плёнку образует алюминий подслоя.
4. Верхний слой YSZ — керамика с низкой теплопроводностью. Она и снижает температуру металла под собой.

Керамику не наносят прямо на металл по двум причинам. Первая — она пропускает кислород, и без подслоя металл под ней окисляется. Вторая — сцепление. Керамика и металл по-разному расширяются при нагреве, и при термоциклах на границе копятся напряжения. На гладком металле, который к тому же окисляется, керамика отслаивается. Подслой защищает металл от кислорода, а его шероховатая поверхность держит керамику.

Керамика верхнего слоя — порошок YSZ (ZrO2-8Y2O3), диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия. Чистый диоксид циркония при нагреве и охлаждении меняет кристаллическую структуру, а вместе с ней объём, и материал растрескивается. Оксид иттрия стабилизирует структуру. YSZ поставляем под заказ.

NiCrAlY или CoNiCrAlY: как выбрать основу

Оба сплава защищают по одному механизму — плёнкой оксида алюминия. Разница в основе: она определяет, к какому виду высокотемпературного разрушения покрытие устойчивее.

Таблица задаёт направление, а не решение. Окончательный выбор делают по среде, материалу детали и требованиям ТУ или КД заказчика. Для подбора нужны:

• материал детали и её назначение: лопатка, деталь ГПА, другой узел горячего тракта;
• среда: вид топлива, есть ли сера и соли, режим нагрева — постоянный или с частыми пусками и остановами;
• роль слоя: самостоятельное жаростойкое покрытие или подслой под YSZ;
• метод и установка: плазма или HVOF, модель оборудования;
• требования ТУ, КД или ремонтной документации. Если состав подслоя в них задан, подбор идёт от них.

По этим данным подберём состав и фракцию из линейки порошков NiCrAlY / CoNiCrAlY.

Чем наносят и что определяет ресурс системы

От чего зависит ресурс. Со временем оксидная плёнка на подслое утолщается, а запас алюминия в подслое расходуется. Типичный отказ термобарьера — отслаивание керамики в зоне оксидной плёнки при термоциклах. Поэтому ресурс системы во многом зависит от подслоя: состава порошка, метода нанесения, подготовки поверхности.

Механика методов разобрана в отдельных гидах, ниже — выводы для MCrAlY и YSZ.

• Подслой: плазма или HVOF. Порошки MCrAlY идут под оба метода. HVOF даёт плотный слой, а частицы в полёте нагреваются умеренно и окисляются меньше — механика метода разобрана в гиде по HVOF. Для MCrAlY это важно: алюминий, окисленный ещё в полёте, приходит в слой уже оксидом и защитную плёнку не пополняет. Плазменный подслой обычно шероховатее, и керамике на нём проще держаться.
• Керамика YSZ: плазма. Для порошка YSZ в каталоге указан один процесс — плазменное напыление. HVOF нагревает частицы умеренно и для тугоплавкой керамики подходит плохо. Устройство плазмотрона и настройка режима — в гиде «Плазменное напыление».
• Фракция. У порошков MCrAlY две фракции: -45+15 и -90+45 мкм. Фракцию подбирают под установку и режим.

Подготовка поверхности, пористость и финишная обработка — общие темы для всех методов, они разобраны в гиде «Газотермическое напыление».

Где применяют и с чем не путать

Основные задачи для порошков MCrAlY:

• Лопатки ГТУ — самостоятельное жаростойкое покрытие или подслой под керамику YSZ.
• Ремонт ГПА — жаростойкие покрытия на ремонтируемых деталях.
• Другие детали горячего тракта газовых турбин — когда покрытие MCrAlY задано в КД.

В каталоге рядом есть материалы для соседних задач. Их путают с MCrAlY, но назначение у них другое:

• Нихром NiCr 80/20 — подслой под карбидные и керамические покрытия, жаростойкие покрытия общего назначения. Алюминия и иттрия в нём нет, а значит, нет и механизма с плёнкой оксида алюминия. Когда нихрома достаточно, а когда нужен MCrAlY, — в гиде «Нихромовые порошки для напыления».
• Нихром NiCr 50/50 — защита экранных труб котлов от высокотемпературной коррозии.
• Карбид хрома с нихромом Cr3C2-NiCr — износ и эрозия при высокой температуре. Его задача — сопротивление износу, подслоем под керамику термобарьера он не служит.
• Оксидная керамика Al2O3, Al2O3-13TiO2, Cr2O3 — износостойкие и изоляционные покрытия: гильзы и плунжеры насосов, анилоксовые валы. Керамика тоже оксидная, но для термобарьера её не берут.
• Истираемые уплотнения Ni-графит и AlSi-полиэстер — уплотнения проточной части компрессоров ГТД и ГТУ, под заказ. Машина та же, но задача — уплотнение, а не защита от горячего газа.

Материалы по теме

• Порошки для газотермического напыления и плазмонапыления — линейка марок и поставка.
• Порошок YSZ для термобарьерных покрытий — состав, фракции, поставка под заказ.
• Плазменное напыление и плазмотрон — устройство и настройка режима.
• Высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) — почему слой плотнее.
• Газотермическое напыление — методы и выбор порошка.
• Каталог порошков для напыления и наплавки — все позиции.

Частые вопросы (FAQ)

Что такое MCrAlY?
Класс жаростойких сплавов для покрытий: M — основа (в покрытиях газовых турбин никель, кобальт или оба), к ней добавлены хром, алюминий и иттрий. Алюминий образует плёнку оксида алюминия, которая защищает металл от окисления, хром повышает стойкость к горячей коррозии, иттрий улучшает сцепление плёнки. Покрытие работает самостоятельно или как подслой под керамику термобарьера.

Чем NiCrAlY отличается от CoNiCrAlY?
Основой. Никелевый сплав делает упор на стойкость к окислению при высокой температуре. Кобальт лучше переносит горячую коррозию от серы и солей в топливе и воздухе, а CoNiCrAlY сочетает оба свойства. Выбор делают по среде, материалу детали и требованиям ТУ или КД.

Можно ли напылять керамику YSZ прямо на металл, без подслоя?
Нет. Керамика пропускает кислород, и металл под ней окисляется. К тому же она расширяется при нагреве иначе, чем металл, и на гладкой окисляющейся основе отслаивается при термоциклах. Подслой MCrAlY защищает металл от окисления и держит керамику на детали.

Можно ли нанести YSZ методом HVOF?
Как правило, нет. Для YSZ в нашей линейке указан один процесс — плазменное напыление: HVOF нагревает частицы умеренно и для тугоплавкой керамики подходит плохо. Подслой MCrAlY под YSZ, наоборот, наносят и плазмой, и HVOF.

Можно ли вместо MCrAlY взять нихром NiCr 80/20?
Зависит от задачи. NiCr 80/20 — подслой общего назначения под карбидные и керамические покрытия. В нём нет алюминия и иттрия, поэтому нет и защитной плёнки оксида алюминия, от которой зависит ресурс термобарьера. Если ТУ или КД на деталь задают подслой MCrAlY, замену без согласования с разработчиком не делают.

Получить подбор и цену

Нужен порошок для жаростойкого покрытия или подслоя под термобарьер? Инженеры Компаньон Консалт подберут состав NiCrAlY или CoNiCrAlY и фракцию под вашу деталь, дадут техническую поддержку по нанесению и организуют поставку. Керамику YSZ поставляем под заказ. Цена — по запросу.

• Телефон: 8 800 350-03-75 (звонок по России бесплатный)
• E-mail: info@cmpnn.com
• Адрес: Москва, 1-я улица Ямского Поля, 15с2

Опишите задачу: материал детали, температура и среда (топливо, сера и соли), роль слоя — самостоятельное покрытие или подслой под YSZ, метод и установка. Если есть ТУ или КД, приложите требования к подслою. Подберём материал, рассчитаем цену и сроки.

Каталог материалов: порошки для напыления и наплавки — сплавы MCrAlY, керамика YSZ и оксидная, нихром, карбиды вольфрама и хрома; состав и применение в каждой карточке.