Многослойное теплозащитное покрытие


 


Владельцы патента RU 2532646:

Общество с ограниченной ответственностью "Технологические системы защитных покрытий" (RU)
Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") (RU)

Изобретение относится к многослойному теплозащитному покрытию на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности. Многослойное теплозащитное покрытие включает основной металлический подслой, выполненный из сплава на основе никеля, верхний керамический теплозащитный слой и дополнительный металлический жаростойкий подслой между основным подслоем и керамическим слоем. Основной металлический подслой содержит 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 11…14% алюминия и 0,1…0,7 иттрия. Верхний керамический теплозащитный слой выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO2, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y2O3. Дополнительный металлический жаростойкий подслой выполнен из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 10…13% алюминия и 0,1…0,7 иттрия. Техническим результатом является защита от воздействия высоких температур, эрозии и коррозии с помощью формирования долговечных теплозащитных покрытий. 1 пр.

 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности, и может быть использовано для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.

Традиционно для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии используются керамические теплозащитные покрытия. Современное теплозащитное покрытие состоит из нескольких слоев. На поверхность детали сначала наносится жаростойкое покрытие для защиты от высокотемпературной коррозии и окисления. Самыми распространенными материалами на данный момент являются сплавы систем MCrAlY (M=Ni, Co) и Ni(Pt)-Al - они термически и химически совместимы с суперсплавами, из которых изготавливаются детали газотурбинного двигателя, и оказывают минимальное влияние на их свойства. Жаростойкие покрытия традиционно наносят методами плазменного напыления (на воздухе - APS или в вакууме - VPS), высокоскоростного напыления (на воздухе - HVOF) и рядом вакуумно-плазменных методов. В ходе эксплуатации на поверхности жаростойкого покрытия образуются оксиды роста - TGO. Формирование оксидов роста неизбежно и целью разработчиков является образование оксидов оста в виде α-Al2O3, чтобы его рост является медленным, однородным и бездефектным. Такой оксид роста имеет очень низкую проводимость по кислороду и благодаря этому создает превосходный диффузионный барьер, замедляя дальнейшее окисление металлического подслоя.

Верхний керамический слой ТБП призван снизить температуру детали за счет низкой теплопроводности. Традиционно используются материалы на основе диоксида циркония, стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия (7YSZ). Этот материал обладает уникальным сочетанием свойств - он имеет один из самых низких коэффициентов теплопроводности (2,3 Вт/м·К при 1000°C для плотного материала) и стабильно высокий коэффициент теплового расширения (11·10-6 1/°C в диапазоне 20-1000°C). YSZ имеет относительно низкую плотность (6,4 г/см3), что является существенным при рассмотрении избыточного веса. Он имеет твердость 14 ГПа, которая придает покрытию стойкость к воздействию инородных предметов и эрозии, а также хорошую коррозионную стойкость при повышенных температурах. Наконец, YSZ имеет высокую температуру плавления (2700°C).

Чистый диоксид циркония ZrO2 имеет три полиморфные модификации (моноклинную при T<1446K, тетрагональную при T<2643K и кубическую T>2643K). Для применения в качестве материала теплозащитного покрытия необходимо стабилизировать оксидом иттрия Y2O3 (5-9% по массе) тетрагональную фазу, поскольку она обладает наилучшим сочетанием термических и механических свойств. После напыления порошка YSZ и термообработки покрытия основной фазой является нетрансформируемая тетрагональная t′-YSZ - она не подвергается фазовым превращениям при термоциклическом воздействии. Ресурс такого покрытия при температурах до 1100°C достаточно велик. При длительной эксплуатации при температуре более 1200°C происходит ее постепенная дестабилизация по следующему механизму:

t Y S Z t Y S Z + c Y S Z m Y S Z + c Y S Z

Образовавшаяся трансформируемая тетрагональная фаза t-YSZ подвержена фазовому переходу в моноклинную m-YSZ и кубическую фазы c-YSZ, который протекает с изменением объема элементарной ячейки на 4% и приводит к полному разрушению покрытия.

Стабилизация структуры диоксида циркония окисью иттрия приводит к образованию в кристаллической структуре вакансий на позициях атомов кислорода. Атомы кислорода при повышении температуры до 1000-1100°C с высокой скоростью начинают перемещаться по вакансиям кристаллической решетки от поверхности покрытия к границе между YSZ и металлическим подслоем, приводя к формированию оксидов роста (ТGО). Скорость диффузии кислорода по структуре YSZ и, соответственно, скорость роста TGO зависит в основном от двух факторов - содержания стабилизирующей добавки (максимум при 10% мольн. Y2O3) и температуры (увеличение на порядок при росте температуры с 1100 до 1200°C).

Рост TGO в ходе эксплуатации газотурбинного двигателя - один из самых важных факторов, определяющих срок службы теплозащитного покрытия. По достижении определенной толщины TGO (5-7 мкм) верхний керамический слой теплозащитного покрытия скалывается из-за напряжений роста и термических напряжений, связанных с рассогласованием коэффициентов термического расширения (КТР). Таким образом, для увеличения ресурса теплозащитного покрытия необходимо снижение скорости диффузии кислорода через керамический слой теплозащитного покрытия.

Скорость роста TGO и его фазовый состав определяется не только скоростью диффузии кислорода через керамический слой, но и химическим составом металлического подслоя, а также его микроструктурой. Алюминий является основным элементом, влияющим на этот процесс. После напыления и термообработки металлического подслоя его структуру составляют две основные фазы: γ-твердый раствор на основе Ni(Co) и β-фаза состава Ni(Co)Al, которая является основным источником алюминия для роста пленки TGO. В ходе эксплуатации покрытия образуется зона, обедненная алюминием, и вероятность образования рыхлого TGO в виде шпинелей Ni(Co)Cr(Al)2O4 повышается. Соответственно, содержание β-Ni(Co)Al определяет долговечность покрытия в целом.

Из уровня техники известно многослойное теплозащитное покрытие на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности, включающее основной металлический жаростойкий подслой и верхний керамический теплозащитный слой (RU 2375499 C2, МПК C23F 17/00, C23C 14/16, C23C 4/08, C23C 4/10, опубликовано 10.12.2009). Известное решение позволяет получить долговечное теплозащитное покрытие, однако имеет ряд технологических недостатков, которые заключаются в обилии технологических операций, в том числе выполняемых в условиях пониженного давления. Поскольку размеры деталей горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности значительно выше, чем авиационных двигателей, это приведет к значительному повышению стоимости нанесения покрытий.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является продление ресурса деталей горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности.

Техническим результатом является защита от воздействия высоких температур, эрозии и коррозии с помощью формирования долговечных теплозащитных покрытий.

Желаемый технический результат достигается тем, что многослойное теплозащитное покрытие на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности включает основной металлический подслой, выполненный из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 11…14% алюминия и 0,1…0,7 иттрия, верхний керамический теплозащитный слой, выполненный из материала на основе диоксида циркония ZrO2, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y2O3, а между основным металлическим подслоем и верхним керамическим теплозащитным слоем выполнен дополнительный металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 10…13% алюминия и 0,1…0,7 иттрия.

На материал детали после подготовки поверхности наносится основной металлический жаростойкий подслой, который выполнен из материала на основе сплавов системы NiCoCrAlY. Рабочие характеристики этих сплавов определяются их способностью формировать вязкую защитную пленку TGO, которая исключает любые взаимодействия между поверхностью основного сплава и внешней коррозийной окружающей средой. Основа этой защитной пленки - оксид алюминия. Хотя другие элементы, входящие в состав покрытия, могут также сформировать защитную пленку, они не являются столь же эффективными, как оксид алюминия. Содержание алюминия в NiCoCrAlY необходимо поддерживать на уровне 11…14%. Хром вводится в сплав в количестве 14…20% - он понижает количество алюминия, необходимое для формирования и сохранения защитной оксидной пленки, а также придает превосходную коррозионную устойчивость. Содержание иттрия должно составлять 0,1…0,7% - он обеспечивает увеличение адгезии TGO к металлическому слою и связывание серы. Кобальт вводится в состав сплава для увеличения стойкости к высокотемпературной коррозии, его содержание должно составлять 18… 25%. Основной металлический слой может быть нанесен методом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) для получения плотных покрытий с высокой адгезией и минимизации окисления материала в ходе напыления. Основной металлический слой может иметь толщину 20-150 мкм.

На поверхность основного металлического подслоя наносится дополнительный металлический жаростойкий подслой, который выполнен из материала на основе сплавов системы NiCoCrAlY. Химический состав материала выбран на тех же основаниях, что и для основного металлического подслоя, но содержание алюминия в нем должно быть не более 13%. Дополнительный металлический слой может быть нанесен методом плазменного напыления на воздухе (APS) для получения покрытий с высокой шероховатостью, которая необходима для увеличения адгезии верхнего керамического слоя. Дополнительный металлический слой может иметь толщину 10-50 мкм.

Верхний керамический теплозащитный слой выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO2, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y2O3. Содержание оксидов щелочных и щелочно-земельных элементов не должно превышать 0,5% по массе. Верхний керамический слой может быть нанесен методом плазменного напыления на воздухе (APS) для получения покрытий с низким коэффициентом теплопроводности. Верхний керамический слой может иметь толщину 120-750 мкм.

Заявляемый технический результат достигается только при выполнении в заявляемой последовательности нанесения слоев. В случае, если последовательность нанесения слоев, методы их нанесения и их толщины будут нарушены в силу вышеизложенного, технический результат достигнут не будет.

Пример

На поверхность жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя нанесли теплозащитное покрытие, включающее три слоя: методом высокоскоростного напыления основной металлический подслой на никелевой основе (Ni-22Co-17Cr-13Al-0,4Y), методом плазменного напыления на воздухе дополнительный металлический подслой на никелевой основе (Ni-20Co-18Cr-12Al-0,6Y) и методом плазменного напыления на воздухе верхний керамический слой на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO2-7Y2O3).

По данным проведенных испытаний на жаростойкость и термоциклирование, нанесение на поверхность основного металлического подслоя Ni-22Co-17Cr-13Al-0,4Y дополнительного металлического подслоя Ni-20Co-18Cr-12Al-0,6Y с высокой шероховатостью позволяет обеспечить необходимую стойкость покрытия к воздействию высоких температур и коррозии, а также повысить адгезию верхнего керамического подслоя ZrO2-7Y2O3 к металлическому подслою.

Многослойное теплозащитное покрытие на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности, включающее основной металлический жаростойкий подслой и верхний керамический теплозащитный слой, отличающийся тем, что основной металлический жаростойкий подслой выполнен из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 1…14% алюминия и 0,1…0,7 иттрия, а верхний керамический теплозащитный слой выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO2, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y2O3, причем между основным металлическим жаростойким подслоем и верхним керамическим теплозащитным слоем выполнен дополнительный металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 10…13% алюминия и 0,1…0,7 иттрия.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ремонта лопаток газовой турбины, снабженной по меньшей мере одной платформой, которая вследствие коррозионного воздействия по меньшей мере на одной боковой поверхности платформы имеет недостаточный размер.
Изобретение относится к металлургии, а именно к γ/γ'-суперсплавам на основе никеля. Сплав содержит, вес.%: вплоть до 20 суммы Со и Fe, между 17 и 21 Сr, между 0,5 и 3 суммы Мо и W, не более 2 Мо, между 4,8 и 6 Аl, между 1,5 и 5 Та, между 0,01 и 0,2 суммы С и В, между 0,01 и 0,2 Zr, между 0,05 и 1,5 Hf, между 0,05 и 1,0 Si, и между 0,01 и 0,5 суммы по меньшей мере двух элементов из актиноидов и редкоземельных металлов, таких как Sc, Y и лантаноиды, причем содержание каждого элемента составляет не более 0,3.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в авиадвигателестроении при получении заготовок лопаток газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к области ремонта механически обрабатываемых деталей, таких как лопатки турбомашины или лопатки моноблочного лопаточного диска. .

Изобретение относится к устройствам рабочих колес вентиляторов, в частности для гидравлического регулирования лопаток рабочего колеса осевого вентилятора, и обеспечивает регулирование лопаток таким образом, чтобы даже в случае исчезновения напряжения можно было удержать лопатки в их последнем перед этим положении до того момента, когда после переключения питания сети другой управляющий блок возьмет на себя функцию регулирования положения лопаток.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к суперсплаву на никелевой основе с упрочняющей гамма-штрих-фазой, и может быть использовано в горячих компонентах, таких как лопатки турбин.

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к рабочим колесам центробежных компрессоров. .

Изобретение относится к химическому составу стали, используемой для изготовления роторов турбин, а более конкретно к содержанию хрома в стальных опорных поверхностях роторов.

Изобретение относится к технологии восстановления поверхности монокристаллической или полученной направленной кристаллизацией металлической детали, имеющей толщину Ws менее 2 мм, в которой лазерный луч и поток металлического порошка, имеющего ту же природу, что и металлическая деталь, подают на деталь с помощью сопла для получения, по меньшей мере, одного слоя монокристаллического или подвергшегося направленной кристаллизации от детали металла, при этом лазерный луч имеет мощность «Р» и перемещается вдоль детали со скоростью «v», в котором луч лазера и поток порошка подают на деталь соосно и отношение P/v находится в определенном диапазоне.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления деталей горячей зоны авиационных двигателей, теплонагруженных элементов ракет и для производства деталей специальной техники.

Изобретение относится к области получения материалов, пригодных для формирования высокотемпературных эрозионно-стойких защитных покрытий на особожаропрочные конструкционные материалы (углерод-углеродные и углерод-керамические композиционные материалы, графиты, сплавы на основе тугоплавких металлов), широко применяемые в авиакосмической, ракетной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля защитных покрытий деталей газовой турбины. Сплав на основе никеля для защитного покрытия деталей газовой турбины содержит, мас.%: 24-26 кобальта, 16-25 хрома, 9-12 алюминия, 0,1-0,7 иттрия и/или по меньшей мере одного металла из группы, содержащей скандий и редкоземельные элементы, необязательно, 0,1-0,7 фосфора, необязательно, 0,1-0,6 кремния, не содержит рений, никель - остальное.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении. Осуществляют последовательное осаждение слоев хрома и алюминия с последующим высокотемпературным отжигом в вакууме при температуре 1050±5°С, остаточном давлении 1,3(10-1-10-3) Па в течение 2-5 часов.

Изобретение относится к устойчивым к смачиванию материалам и изделиям, которые содержат покрытия из таких материалов. Устойчивое к смачиванию изделие включает покрытие, имеющее величину открытой пористости поверхности до примерно 5% об., причем покрытие включает материал, содержащий первичный оксид и вторичный оксид, где первичный оксид содержит катион, выбранный из группы, состоящей из церия, празеодима, тербия и гафния, а вторичный оксид содержит катион, выбранный из группы, состоящей из редкоземельных элементов иттрия и скандия.

Изобретение относится к устойчивым к смачиванию материалам и изделиям, которые содержат покрытия из таких материалов. В одном воплощении такой материал содержит первичный оксид, содержащий катионы первичного оксида, причем катионы первичного оксида включают церий и гафний, и вторичный оксид, содержащий катион вторичного оксида, выбранный из группы, состоящей из редкоземельных элементов иттрия и скандия.

Изобретение относится к режущей пластине с покрытием, предназначенной для снятия материала со стружкообразованием (варианты), способу нанесения системы покрытия на упомянутую режущую пластину и к изделию с покрытием.

Изобретение относится к установке и способу плазменной вакуумной обработки. .

Изобретение относится к получению листов из термопласта, армированных волокном, которые могут быть использованы в условиях воздействия пламени. .
Изобретение относится к области электрохимии, а именно к способу перемешивания в вакууме частиц электрокатализаторов на углеродной основе, заключающемуся в том, что перемешивание производят в вакуумной рабочей камере, снабженной устройством подачи инертного газа и держателем порошка частиц электрокатализаторов.
Наверх