Материал керамического слоя теплозащитного покрытия

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплозащитным покрытиям лопаток энергетических и транспортных турбин, и может быть использовано в других областях техники для защиты теплонагруженных конструкций. Покрытие содержит оксид циркония, оксид иттрия и оксид алюминия при следующем соотношении компонентов , масс. %: Al2O3 - 1-8, Y2O3 - 7-9, ZrO2 - остальное. Технический результат - расширение области применения керамического теплозащитного покрытия с теплопроводностью λ≥1 Вт/мК за счет использования в нем широкодоступного материала - алюминия, оксид которого химически более устойчив. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплозащитным покрытиям лопаток энергетических и транспортных турбин, и может быть использовано в других областях техники для защиты теплонагруженных конструкций.

Для улучшения эксплуатационных характеристик турбин на поверхность их лопаток наносят многослойное теплозащитное покрытие с внешним керамическим слоем, имеющим низкий коэффициент теплопроводности и устойчивым к воздействию высокотемпературной химически агрессивной среды.

Известен материал керамического слоя теплозащитного покрытия лопаток турбин и способ его нанесения, включающий нанесение слоя жаростойкого покрытия из никелевого сплава, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия и нанесение третьего внешнего керамического слоя на основе ZrO2, стабилизированного 7-9% Y2O3 /патент РФ №2078148/.

Недостатком этого способа является недостаточно низкая теплопроводность керамического слоя λ=2,5-3,0 Вт/м К.

Известен способ нанесения комбинированного теплозащитного покрытия на лопатки ГТД, в котором внешний керамический слой ZrO2-8Y2O3 покрывают 10-15 мкм слоем керамики ZrO2-11Y2O3-40Al2O3 с пониженной кислородопроводностью, наносимого электронно-лучевым методом с последующим спеканием /патент РФ №2349679/.

Недостатками этого способа являются недостаточно низкая теплопроводность внешнего керамического слоя, а также сложность технологии и ограниченная применимость нанесения электронно-лучевым методом керамического слоя теплозащитного покрытия при распылении порошков из диэлектрических материалов.

Известно, что максимальный эффект снижения теплопроводности керамики на основе ZrO2, стабилизированного Y2O3, дает добавка в нее смеси оксидов редкоземельных металлов /лантаноидов/ с обязательным включением в состав смеси Yb2O3 /NASA/ТМ-2002-211481/.

Известно, что перспективным направлением снижения теплопроводности керамического покрытия является введение в состав керамики на основе ZrO2, стабилизированного Y2O3, одного и более оксидов редкоземельных элементов /http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=802 Д.А. Чубаров, С.А. Будиновский. Выбор керамического материала для теплозащитного покрытия лопаток авиационных турбин на рабочие температуры 1400°C/.

Наиболее эффективный способ получения качественного внешнего керамического слоя теплозащитного покрытия на поверхности лопатки турбины является магнетронное распыление мишени сплава металлов компонентов керамики в кислородной среде /там же/.

Получить сплав металлов Zr, Y и Yb крайне затруднительно, так как температура испарения Yb (1211°C) меньше температуры плавления Zr (1852°C) и Y (1525°C).

Ближайшим техническим решением является керамическое теплозащитное покрытие для изделий из жаропрочных литейных сплавов на основе никеля, содержащее оксид циркония, оксид гадолиния и оксид иттрия при соотношении компонентов, масс. %: Gd2O3 - 2-9%, Y2O3 - 7-9%, ZrO2 - остальное /Патент RU 2556248/. Теплопроводность этого покрытия составляет λ≥1 Вт/м К.

Недостатками этого решения являются использование редко существующего в природе металла: гадолиния, что ограничивает широкое использование этого покрытия в технике, и пониженная долговечность при работе в химически активных средах.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.

Техническим результатом предложенного технического решения является создание керамического теплозащитного покрытия с не худшей теплопроводностью (λ≥1 Вт/м К), но использующего широкодоступный в природе материал и более стабильного к воздействию химически активной среды.

Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в керамическое защитное покрытие, содержащее оксид циркония и оксиды металлов третьей группы Периодической системы Д.И. Менделеева, один из которых оксид иттрия, вводят оксид алюминия, при этом оксиды в покрытие входят в следующем соотношении, масс. %: Al2O3 - 1-8%, Y2O3 - 7-9%, ZrO2 - остальное.

В покрытие дополнительно добавляют один и более оксидов лантаноидов, масс. %: 2-9%.

Покрытие наносят на изделия из жаропрочных сплавов и методом магнетронного распыления.

Известно, что теплопроводность твердого диэлектрического тела определяется фонон-фононные столкновениями и зависит от упорядочности структуры его кристаллической решетки. Чем менее упорядочена структура, чем сильнее искажена решетка, тем меньше длина пробега фононов, тем меньше ее теплопроводность /Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика: Ч. 1. Атомная физика. - М.: Наука. 1986. - 426 с./.

Известно, что из оксидов редкоземельных металлов (лантаноидов), добавляемых в керамику на основе оксида циркония, наибольшее влияние на снижение теплопроводности керамики оказывает оксид иттербия /NASA/TM-2002-211481/.

Основное отличие иттербия от других редкоземельных металлов состоит в типе кристаллической решетки: только у него она гранецентрированная кубическая (ГЦК), а у большинства других, как правило, гексагональная (ГЕК). Это отличие проявляется в низкой температуре плавления (824°C) и является причиной того, что при переходе иттербия из металла в оксид плотность вещества возрастает с 7 г/см3 до 9,17 г/см3 или 1,3 раза, несмотря на добавку к «тяжелому» металлу «легкого» кислорода. Другие редкоземельные металлы такими свойствами не обладают: их температура плавления выше, а плотность их оксидов практически не отличается от плотности самих металлов.

Вследствие вышесказанного, добавка иттербия в керамику меняет ее таким образом, что это приводит к снижению теплопроводности.

Аналогичные свойства присущи алюминию, причем они проявляются еще в большей степени, чем у иттербия. Обладая тем же типом решетки ГЦК, алюминий имеет еще более низкую температуру плавления 667°C, а при его переходе в оксид плотность вещества возрастает в 1,5 раза.

Но, в отличие от иттербия, имеющего низкую температуру кипения 1211°C, у алюминия она составляет 2520°C, что позволяет легко получать сплав циркония и иттрия с алюминием, а следовательно, использовать полученный сплав в наиболее эффективном способе получения теплозащитного покрытия методом магнетронного распыления.

Величина добавки оксида алюминия в керамику определяется из условия интенсификации процесса рассеяния фонона в ее решетке: расстояние между молекулами оксида алюминия в керамике должно быть сравнимо с длиной пробега фонона в керамике без оксида алюминия.

Характерная величина длины пробега фонона 1 находилась из известной эмпирической формулы: λ=cρV1/3, где c - теплоемкость, ρ - плотность, V - скорость фононов, равная половине скорости звука /Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика: Ч. 1. Атомная физика. - М.: Наука. 1986. - 426 с./. Расчеты проводились для оксида циркония, основной компоненты керамики: λ=0,02 Вт/см К, c=0,5 Дж/г К, ρ=5,7 г/см3, Vs=1,85 105 см/с /Физические величины: Справочник/ А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский / Под редакцией И.С. Григорьева. - М.; Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./ и составила величину l=1,1 10-7 см.

Среднее расстояние d между молекулами оксида циркония, имеющего массу M=2,46 10-22 г, определялось как d=(M/ρ)1/3=0,35 10-7 см.

Таким образом, требуемая величина добавки оксида алюминия в объем керамики на основе оксида циркония составляет (d/l)3=0,03 или 3%.

Учитывая усредненность данной оценки, разумно дать диапазон требуемой добавки, уменьшив и увеличив ее в e-раз (e=2,71 - экспонента), т.е. ≈1-8%.

Для проверки правильности этой трактовки были проведены тестовые испытания двух типов керамик: керамика ZrO2-7% Y2O3-2% Gd2O3 (прототип) и керамика ZrO2-8% Y2O3-kAl2O3, где k=1-8%.

Указанные материалы наносили следующим образом. На плоские дисковые монокристаллические образцы диаметром 25,4 мм и толщиной 5 мм из жаропрочного сплава ЖС32 (сплав Ni-Co-W-Al-Cr-Ta-Re-Nb-Mo-B-C) наносили в ионно-плазменной установке МАП-1 по серийной технологии жаростойкое двух стадийное конденсационно-диффузионное покрытие сплава СДП-2 на основе никеля с содержанием алюминия, хрома, иттрия и из сплава на основе алюминия ВСДП-16, легированного никелем и иттрием. Затем проводили вакуумную термообработку покрытых образцов для получения исходной структуры покрытия и поверхностную обработку образцов для последующего нанесения керамического слоя.

Керамический слой толщиной 60 мкм наносили методом магнетронного распыления в аргоно-кислородной среде.

Измерение теплопроводности керамического слоя проводили импульсным лазерным методом.

Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Как следует из таблицы, предложенный материал керамического слоя сохраняет теплопроводность на уровне прототипа λ≥1 Вт/м К.

Алюминий является существенно более распространенным и доступным в природе металлом по сравнению с гадолинием: цена алюминия более чем в 100 раз ниже.

Алюминий химически более активный металл по сравнению с другими металлами третьей группы, за исключением бора, поэтому оксид алюминия более устойчив к воздействию химически активной среды, чем оксид гадолиния.

Таким образом, предложенное техническое решение расширяет область использования керамического теплозащитного покрытия с теплопроводностью λ≥1 Вт/м К за счет использования в нем широкодоступного материала - алюминия, оксид которого химически более устойчив.

Для повышения термостойкости покрытия к циклическим нагрузкам в него добавляют 2-9% оксидов лантаноидов. Например, добавка в покрытие оксида гадолиния 4,5% увеличивает число термических циклов, выдерживаемых покрытием в 1,5 раза.

Для защиты лопаток турбин покрытие наносят на изделия из жаропрочных сплавов, например, на основе никеля.

Для повышения качества покрытия его наносят методом магнетронного распыления.

Таким образом, предложенное керамическое теплозащитное покрытие использует широко распространенный в природе материал, более стабильный при работе в химически активной среде, сохраняя теплопроводность на уровне 1 Вт/м К.

1. Керамическое теплозащитное покрытие, содержащее оксид циркония и оксиды металлов третьей группы Периодической системы Д.И. Менделеева, один из которых оксид иттрия, отличающееся тем, что оно содержит оксид алюминия, при этом оксиды металлов в покрытии содержатся в следующем соотношении, масс. %: Al2O3 - 1-8, Y2O3 - 7-9, ZrO2 - остальное.

2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит по меньшей мере один оксид лантаноидов, масс. %: 2-9.

3. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что оно предназначено для нанесения на изделия из жаропрочных сплавов.

4. Покрытие по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что оно предназначено для нанесения магнетронным распылением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области газотермического напыления покрытий, в частности к способам напыления жаростойких и теплозащитных покрытий. Наносят основной металлический жаростойкий подслой.

Настоящее изобретение относится к фрикционным деталям, работающим в среде со смазкой, содержащей модификатор трения, при этом по меньшей мере на одну из деталей нанесено покрытие, при этом модификатором трения является MoDTC, покрытие является отличным от DLC и для по меньшей мере одной детали является нитридом хрома, при этом нитрид хрома присутствует в кристаллизации со структурой типа NaCl с микротвердостью 1800+/-200 HV.

Изобретение относится к износостойким покрытиям, которые могут быть использованы в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания. Износостойкое покрытие для поршневых колец содержит, мас.%: Fe от 15 до 25, WC от 10 до 25 , Cr от 30 до 40, Ni от 10 до 25, Mo от 10 до 25, C от 1 до 10 , Si от 0,1 до 2, причем Cr присутствует в покрытии в элементарной форме и в форме карбида Cr2C3, при этом общая доля карбидов составляет от 15 до 50 мас.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке. Скользящий элемент содержит более мягкий материал по сравнению с алмазоподобным углеродом, который включен в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, которым скользящий элемент должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой скользящий элемент должен скользить.

Настоящее изобретение относится к триботехническому составу, характеризующемуся тем, что он выполнен в виде композиции, составленной из природных минералов, полученных при измельчении керна, взятого из нескольких скважин с разной глубины, при этом композиция содержит природные минералы при следующем соотношении компонентов, мас.%: Антигорит 5-7; Лизардит 1-3; Тремолит 1-5; Хлорит 23-35; Тальк 26-38; Карбонат 22-26; Магнетит 1-3; Примеси 1-3, причем триботехнический состав содержит субмикронных частиц не более 20 мас.% порошка и частицы размером не более 15 мкм.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам для защитных покрытий для защиты конструктивного элемента от коррозии и/или окисления. Сплав на основе никеля для защиты конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления при высоких температурах содержит, в вес.%: от более 22 до менее 24 кобальта (Со), от 14 до менее 16 хрома (Cr), 10,5-11,5 алюминия (Al), 0,2-0,4, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий (Sc) и редкоземельные элементы, в частности иттрий (Y), при необходимости от 0,3 до 0,9 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Изобретение относится к режущему инструменту с износостойким покрытием, содержащему основу и слой покрытия, расположенный на поверхности основы, в котором слой покрытия содержит первую слоистую структуру и вторую слоистую структуру.
Изобретение относится к областям порошковой металлургии, в частности к неорганическим покрытиям из многослойных композиционных материалов, и может быть использовано в машиностроении для получения высокотемпературного теплозащитного покрытия (ТЗП) методом газотермического напыления, например плазменного, на деталях камеры сгорания ГТД, а также для огнестойких покрытий в специальных целях.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям конструкционных деталей. Сплав на основе никеля для защитного покрытия конструкционной детали, в частности детали газовой турбины, предназначенного для защиты от коррозии и/или окисления детали при высоких температурах, содержит следующие элементы, вес.%: от 22 до менее 24 кобальта, 15-16 хрома, 10,5-12 алюминия, 0,2-0,6, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей скандий (Sc) и/или редкоземельные элементы, кроме иттрия, при необходимости, от 0,3 до 1,5 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Изобретение относится к подложке для исследований усиленного поверхностью комбинационного рассеяния. Подложка содержит полупроводниковую поверхность с формированными на ней нитевидными кристаллами, покрытыми пленкой металла, выбранного из группы, состоящей из серебра, золота, платины, меди и/или их сплавов.

Изобретение относится к изготовлению теплоизлучающих элементов. Способ включает размещение сетки на основе, изготовленной из первого металлического материала, и формирование на поверхности основы теплоизлучающей ячейки либо путем распыления гранулированных частиц, полученных из второго металлического материала, оксид которого имеет коэффициент отражения 70% и более, отличного от первого металлического материала, и частиц из оксида второго металлического материала, либо путем напыления металлических частиц, изготовленных из второго металлического материала, и их окисления, при этом формирование осуществляют таким образом, что зона контакта ячейки с основой составляет 1 мм2 и менее, после чего сетку удаляют.

Изобретение относится к покрытиям металлических материалов и может быть использовано для защиты деталей из сплава на основе ниобия от высокотемпературной газовой коррозии в условиях высоких температур.

Изобретение относится к способу ионно-плазменного нанесения износостойкого и коррозионностойкого покрытия на изделия из алюминиевых сплавов. Поверхность очищают ионами аргона в плазме тлеющего разряда при напряжении разряда до 700 В, мощности до 1,5 кВт и рабочем давлении 1 Па в течение 10 мин.
Изобретение относится к инструменту для горячего формования стального листа с AlSi покрытием, имеющему покрытие CrxSiyNz, в котором x: 40-69 ат. %, y: 1-20 ат.

Изобретение относится к бритвенным лезвиям, и более конкретно, к новым покрытиям на краях бритвенных лезвий. Бритвенное лезвийное устройство содержит заостренную основу, содержащую по меньшей мере один расположенный на ней слой на основе алюминий-магниевого борида AlMgB14.
Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.
Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.
Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.
Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800°C.

Изобретение относится к изделиям, в частности, таким как водопроводные краны, имеющим декоративно-защитное покрытие темного цвета. При этом темный цвет может быть представлен, в частности, черным, темно-бронзовым, иссиня-черным, ярко-синим или серо-голубым цветом.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплозащитным покрытиям лопаток энергетических и транспортных турбин, и может быть использовано в других областях техники для защиты теплонагруженных конструкций. Покрытие содержит оксид циркония, оксид иттрия и оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, масс. : Al2O3 - 1-8, Y2O3 - 7-9, ZrO2 - остальное. Технический результат - расширение области применения керамического теплозащитного покрытия с теплопроводностью λ≥1 ВтмК за счет использования в нем широкодоступного материала - алюминия, оксид которого химически более устойчив. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Наверх