Материал керамического слоя теплозащитного покрытия
Владельцы патента RU 2556248:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для нанесения теплозащитного покрытия на трактовую поверхность рабочих и сопловых лопаток турбины газотурбинного двигателя. Керамическое теплозащитное покрытие для изделий из жаропрочных литейных никелевых сплавов содержит, мас.%: Gd2O3 - 2-9; Y2O3 - 7-9 и ZrO2 - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение в области рабочих температур 1100-1150°C термостойкости и коэффициента теплопроводности покрытия до 1 Вт/м·K. 1 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 табл.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для нанесения теплозащитного покрытия на трактовую поверхность рабочих и сопловых лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД) с равноосной или монокристаллической структурой, изготовленных из жаропрочных литейных сплавов на основе никеля.
Известен материал керамического слоя теплозащитного покрытия (ТЗП) и способ нанесения покрытия на лопатку турбины, включающий предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением 3-го керамического слоя из диоксида циркония стабилизированного (7-9) мас.% оксида иттрия (ZrO2·7-9% Y2O3) и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиги (патент РФ №2078148).
Для продления ресурса работы лопаток турбин высокого давления или температуры рабочего газа турбины применяют теплозащитные покрытия (ТЗП), содержащие внутренний жаростойкий одно- или многослойный металлический или металлокерамический слой и внешний керамический слой (КС). ТЗП обеспечивают снижение температуры на поверхности пера охлаждаемых лопаток турбин на 50°C и более. Величина снижения температуры (теплозащитный эффект) определяется толщиной, удельной теплопроводностью материала керамического слоя ТЗП и тепловым потоком, направленным от рабочего газа, воздействующего на поверхность лопатки турбины к охлаждающему эту лопатку по внутренней поверхности воздуху.
В качестве материала КС ТЗП широко используется диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (ИСЦ). Для нанесения ИСЦ в основном используется процесс электронно-лучевого напыления (ЭЛН). В области рабочих температур, электронно-лучевой КС ТЗП имеет столбчатую структуру и коэффициент теплопроводности Кц=2,5-2,9 Вт/м·K. При таких значениях Кц, КС, обеспечивает теплозащитный эффект, соответственно, ~0,6°C на один микрон толщины этого слоя. (см. Е.Н. Каблов, С.А. Мубояджян. «Теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД» «Металлы», №1, 2012 г., стр.5-13).
Недостатком известного материала керамического слоя теплозащитного покрытия является относительно высокая теплопроводность этого материала и большая толщина КС, необходимая для получения теплозащитного эффекта на уровне 100°C, что в свою очередь нагружает дополнительно материал лопаток турбины ГТД из-за большой массы этого слоя ТЗП.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является материал для керамического слоя ТЗП, содержащий один или несколько оксидов редкоземельных металлов и, в частности, материал на основе диоксида циркония, оксида гадолиния (Gd2O3 - 32-41% по массе) и оксида иттрия (Y2O3 - 4-4,8% по массе). Такой материал имеет коэффициент теплопроводности 0,95-1,2 Вт/м·K, что обеспечивает получение теплозащитного эффекта на лопатках турбины газотурбинного двигателя на уровне 100°C при толщине слоя керамики 50-60 мкм (патент EP 1-400611 A1).
Недостатком материала прототипа является низкая термостойкость керамического слоя теплозащитного покрытия при интенсивном нагреве и последующем охлаждении поверхности изделия с покрытием, что не позволяет использовать материал на лопатках турбины ГТД.
Технической задачей изобретения является разработка материала с улучшенными физическими свойствами.
Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости и коэффициента теплопроводности на уровне 1 Вт/м·K в области рабочих температур покрытия (1100-1150°C) и длительно сохраняющейся величиной теплозащитного эффекта при рабочих температурах изделия.
Технический результат достигается тем, что предлагается керамическое теплозащитное покрытие для изделий из жаропрочных литейных сплавов на никелевой основе, содержащее оксид циркония, оксид гадолиния и оксид иттрия, отличающееся тем, что оно содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Gd2O3 | 2-9 |
| Y2O3 | 7-9 |
| ZrO2 | остальное |
При таком содержании оксидов керамическое ТЗП имеет коэффициент теплопроводности в области температур 1100-1150°C Кц ≈1 Вт/м·K (измерения проведены импульсным лазерным методом нагрева поверхности ТЗП) и обеспечивает термостойкость на уровне 1000 циклов при термоциклировании по режиму 1100°C - выдержка 55 минут, охлаждение с 1100 до ~20°C в течение 5 минут, что значительно превышает термостойкость ТЗП с керамическим слоем на основе материала прототипа при одинаковом внутреннем жаростойком слое ТЗП. Исследования показывают, что повышение термостойкости предлагаемого материала для КС ТЗП связано с меньшей скоростью окисления поверхности внутреннего жаростойкого слоя ТЗП, так как разрушение керамического слоя ТЗП определяется когезионной прочностью оксидного слоя на поверхности жаростойкого слоя ТЗП и отслоение КС наступает при толщине этой оксидной пленки 10-15 мкм. Измерение коэффициента теплопроводности КС ТЗП после длительных 1000 ч испытаний показывает, что значения Кц КС покрытия повышаются на 15-16%.
Примеры осуществления
Пример 1.
Материал керамического слоя ТЗП и теплозащитное покрытие наносилось следующим образом. На плоские дисковые монокристаллические образцы диаметром 25,4 мм и толщиной 5 мм из жаропрочного никелевого сплава ЖС36 (сплав системы Ni-W-Co-Al-Cr-Nb-Mo-Ti-Re) наносили на ионно-плазменной установке МАП-3 по серийной технологии жаростойкое двухстадийное конденсационно-диффузионное покрытие из сплава СДП-2 на основе никеля, содержащего алюминий, хром, иттрий, и из сплава на основе алюминия ВСДП-16, легированного никелем и иттрием при токах разряда вакуумной дуги, соответственно, 700 и 500 А и электрическом потенциале на образцах 300 В (ионная очистка и термоактивация подложки) и 10 В - осаждение слоев жаростойкого слоя ТЗП. Затем проводили вакуумную термообработку покрытых образцов для формирования исходной структуры покрытия и пескоструйную обработку поверхности образцов для последующего нанесения КС ТЗП.
Керамический слой ТЗП толщиной 50-60 мкм наносили на установке УОКС-2 магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы. Изделия (образцы и лопатки турбины) размещали в камере напыления установки, содержащей по крайне мере две мишени из сплава Zr-Y-Gd с одинаковым содержанием Gd 2,33 (% по массе) и Y 7,41% для получения КС ТЗП из предлагаемого материала. Питание магнетронных испарителей осуществлялось от инверторного источника тока с рабочим напряжением до 600 В, током до 30 А с использованием дуального электрического ключа, переключающего полярность питающего напряжения на распыляемых мишенях с частотой 5-40 кГц. Таким образом, были получены образцы с ТЗП и керамическим слоем следующего состава ZrO2 - 7% Y2O3 - 2% Gd2O3 (% по массе), а также образцы с этим ТЗП в виде таблеток диаметром 10 мм и толщиной 1 мм для определения коэффициента теплопроводности материала керамического слоя ТЗП импульсным лазерным методом.
Для определения термостойкости КС ТЗП были проведены термоциклические испытания полученных образцов. Цикл включал в себя выдержку образцов при температуре 1100°C в течение 55 мин и охлаждение в течение 5 мин в струе сухого сжатого воздуха при давлении 0,2 МПа до комнатной температуры. После каждых 20 циклов испытаний проводили визуальный осмотр состояния поверхности образцов с ТЗП. При скалывании с поверхности 25-30% КС ТЗП образец снимался с испытаний.
Пример 2. Пример аналогичен примеру 1, только для нанесения КС ТЗП на образцы использовались мишени из сплава Zr-Y-Gd с одинаковым содержанием Gd - 6,37 (% по массе) и Y - 8,41% для получения КС ТЗП из предлагаемого материала состава ZrO2 - 8% Y2O3 - 5,5% Gd2O3.
Пример 3. Пример аналогичен примерам 1 и 2, но для нанесения КС ТЗП на образцы использовались мишени из сплава Zr-Y-Gd с одинаковым содержанием Gd - 10,35 (% по массе) и Y - 9,4% для получения КС ТЗП из предлагаемого материала состава ZrO2 - 9% Y2O3 - 9% Gd2O3.
Пример 4. Пример был выполнен из материала прототипа и для нанесения КС ТЗП использовались мишени из сплава на основе циркония с фиксированным содержанием Gd - 40,2% и Y - 4,4% для нанесения КС ТЗП прототипа, имеющего состав ZrO2 - 36,5% Gd2O3 - 4,4% Y2O3.
Результаты испытаний на термостойкость образцов с ТЗП и значения коэффициента теплопроводности предлагаемого материала керамического слоя ТЗП и материала по способу-прототипу представлены в таблице.
Как видно из таблицы, предлагаемый материал керамического слоя ТЗП обеспечивает повышение стойкости КС к скалыванию при испытаниях на термостойкость по режиму 1100°C - выдержка 55 минут, охлаждение с 1100 до ~20°C в течение 5 минут в 4,4-5,6 раз в сравнении с материалом КС ТЗП прототипа. При этом коэффициент теплопроводности материала КС ТЗП изменяется в пределах от 1 до 1,22 Вт/м·K, а у материала прототипа коэффициент теплопроводности составляет 1,1 Вт/м·K. Коэффициент теплопроводности КС ТЗП после выдержки образцов в атмосферной печи при 1100°C в течение 1000 ч для предлагаемого материала (примеры 1-3) увеличился от исходного значения на 15-16%, а для материала прототипа на 19-20%, что указывает на меньшую спекаемость предлагаемого материала керамического слоя ТЗП по сравнению с прототипом.
Аналогичные результаты были получены на образцах с монокристаллической структурой из жаропрочного сплава ЖС32.
Применение изобретения в производстве монокристаллических рабочих лопаток турбин позволит увеличить ресурс работы турбин высокого давления ГТД различного назначения более чем в 2 раза, а также уменьшить в 2-2,2 раза толщину керамического слоя ТЗП по сравнению со стандартной керамикой ZrO2-(7-8)% Y2O3 при одинаковом теплозащитном эффекте.
1. Керамическое теплозащитное покрытие для изделий из жаропрочных литейных сплавов на основе никеля, содержащее оксид циркония, оксид гадолиния и оксид иттрия, отличающееся тем, что оно содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Gd2O3 | 2-9 |
| Y2O3 | 7-9 |
| ZrO2 | остальное. |
2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что оно нанесено магнетронным распылением.
