Теплозащитное покрытие

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к теплозащитным покрытиям для защиты поверхности деталей, подверженных воздействию высокотемпературных газовых потоков и выполненных, в том числе, из двухслойных паяных конструкций и может быть использовано для защиты изделий ракетной и авиационной техники. Теплозащитное покрытие состоит из металлического подслоя с нанесенным на него рабочим слоем, содержащим слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Рабочий слой содержит нанесенный на слой оксида циркония слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия, при этом подслой и слои из оксида циркония и оксида гафния выполнены наноструктурированными. В частном случае осуществления изобретения подслой выполнен из никеля или сплава никеля. Обеспечивается создание теплозащитного покрытия, обеспечивающего эффективную защиту деталей, в том числе выполненных из двухслойных паяных конструкций, от воздействия высокотемпературного газового потока. 1ил.

 

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к теплозащитным покрытиям (ТЗП) для деталей, подверженных воздействию высокотемпературных газовых потоков, выполненных, в том числе из двухслойных паяных конструкций.

В настоящее время при создании перспективных энергетических установок с повышенными рабочими характеристиками (давление и температура) рассматриваются возможности более эффективных способов защиты деталей, подверженных воздействию газовой среды, высоких тепловых потоков более 150*106 Вт/м2, идущих от высокотемпературных продуктов сгорания.

Из публикации (см. а.с. SU №1767926, 1994 г. ) известно теплозащитное покрытие (ТЗП), содержащее рабочий слой из оксида циркония, подслой из сплава на основе никеля и промежуточные слои системы металл - оксид циркония, при этом рабочий слой дополнительно содержит нитрид бора и/или графит, а оксид циркония стабилизирован 5-10 масс. % оксида иттрия.

Недостатком данного технического решения является то, что порошковый материал, применяемый для получения данного теплозащитного покрытия, является механической смесью порошков, в которой частицы оксида циркония и нитрида бора не связаны друг с другом, т.е. не скомпактированы в гранулы. В связи с этим в процессе напыления такого порошкового материала может происходить его расслоение на составляющие компоненты, что приведет к ухудшению рабочих характеристик покрытия.

Известен также композиционный материал для высокотемпературного теплозащитного покрытия (см. патент RU №2303649, 2007 г.), включающий нитрид бора и стабилизированный оксид циркония. При этом композиционный материал содержит также волокно нихрома длиной 3-5 мм, а стабилизированный оксид циркония содержится в двух фракциях - оксид циркония, стабилизированный 7% оксидом иттрия, фракции 100-250 мкм и стабилизированный оксид циркония пылевидной фракции.

Недостатком данного технического решения является то, что получаемое из указанного материала покрытие имеет низкую адгезию с поверхностью основы и невысокую рабочую температуру на воздухе (до 1000°С) из-за окисления при этой температуре волокон нихрома. Помимо этого, повышается трудоемкость получения исходного состава порошкового материала и теплозащитного покрытия из него, поскольку данный способ требует применения дополнительного специального оборудования (вакуумные печи, термофиксаторы), особенно при нанесении на крупноразмерные конструкции сложной формы.

Из публикации (см. патент RU №2499078, 2012 г.) известно многослойное ТЗП, наносимое на огневую стенку корпуса камеры сгорания. Описанное в этой публикации ТЗП состоит из подслоя нихрома и слоя керметной композиции, содержащей смесь оксида гафния и плакированного никелем вольфрама, и дополнительного слоя оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия.

Недостатком такого ТЗП является то, что наличие плакированного никелем вольфрама в одном из слоев ТЗП, близком к наружной поверхности покрытия, может приводить к плавлению, интенсивному окислению и растрескиванию слоя в составе газовой среды в камере сгорания ЖРД.

Из технического решения, защищенного патентом RU №2283363 (2006 г.), известно другое теплозащитное покрытие, наносимое на огневую стенку корпуса камеры. Такое ТЗП состоит из двух слоев, один из которых представляет собой металлический слой, например, из нихрома, а другой - керамический слой из оксида циркония. В качестве стабилизирующей добавки оксида циркония используют оксид кальция.

Недостатком такого ТЗП является то, что наличие в качестве стабилизирующей добавки оксида кальция приводит к уменьшению рабочей температуры ТЗП и не позволяет защищать стенку корпуса от высокотемпературных тепловых потоков.

Из публикации (патент RU №2586376, 2016 г.) известно высокотемпературное теплозащитное покрытие, содержащее подслой из сплава на основе никеля и рабочий слой на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, при этом согласно изобретению, рабочий слой дополнительно содержит никель, которым плакирован стабилизированный оксид циркония. Но наличие в рабочем слое ТЗП никеля ведет к уменьшению работоспособности покрытия при температурах выше 2000°С.

Задачей настоящего изобретения является создание ТЗП, обеспечивающего эффективную защиту деталей, в том числе выполненных из двухслойных паяных конструкций, от воздействия высокотемпературного газового потока.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в увеличении рабочей температуры на внешней поверхности ТЗП при воздействии на защищаемую поверхность детали высокотемпературного газового потока.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что на защищаемую поверхность детали, подверженную воздействию высокотемпературного газового потока, наносится ТЗП, состоящее из подслоя и рабочего слоя.

Рабочий слой содержит слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и нанесенный на него слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия. При этом подслой и слои оксидов циркония и гафния выполнены наноструктурированными.

При этом подслой ТЗП может быть выполнен из никеля или сплава никеля.

На фигуре представлено сечение детали с ТЗП. В качестве защищаемой от воздействия высоких температур детали взята двухслойная паяная конструкция.

Как показано на фигуре, двухслойная паяная конструкция состоит из наружной силовой оболочки 1, внутренней стенки 2, подверженной воздействию высокотемпературных газовых потоков, которые соединены между собой пайкой. Между наружной силовой оболочкой 1 и стенкой 2 расположен тракт регенеративного охлаждения 3. На стенку 2 по всей ее длине нанесено многослойное теплозащитное покрытие, состоящее из трех разных слоев: 4 - металлический подслой, в том числе из никеля или сплава на основе никеля, 5 - слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, 6 - слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия.

Подслой 4 является переходным между защищаемой деталью и керамическим слоем с низкой теплопроводностью и служит для компенсации внутренних напряжений, возникающих из-за разницы коэффициентов теплового расширения керамического слоя покрытия и материала защищаемой детали.

Кроме того, подслой обеспечивает дополнительную защиту от окисления материала детали, поскольку в условиях высокой температуры кислород из окружающей среды (воздух, продукты сгорания топлива) может проникать к поверхности защищаемой детали.

Наноструктурированный слой оксида циркония 5, стабилизированного оксидом иттрия, служит в качестве теплозащитного слоя. Этот слой обладает низкой теплопроводностью, химической стойкостью и имеет высокую температуру плавления, а также достаточно высокую пористость (~15%), что позволяет уменьшить тепловой поток, достигающий поверхности защищаемого материала.

Нанесенный на оксид циркония наноструктурированный слой из оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия, обладает более низкой теплопроводностью, более высокими температурами плавления и фазовых переходов, чем слой оксида циркония, что позволяет повысить температуру на внешней границе ТЗП до ~2600°С, увеличить термическое сопротивление и трещиностойкость покрытия.

ТЗП, согласно изобретению, обладает эффективной теплопроводностью менее 1,5 Вт/м⋅К и высокой стойкостью к температурам до 2600°С.

Применение предлагаемого в изобретении ТЗП позволит защитить огневую стенку камеры сгорания из сплава БрХ08 путем его нанесения вакуумным методом плазменно-кластерного напыления. Наноструктурирование напыляемого материала в этом случае происходит в процессе нанесения слоев ТЗП за счет конденсации паровой фазы напыляемого вещества в сопле плазмотрона с последующим образованием наночастиц. Толщина многослойного наноструктурированного ТЗП составляет более 100 мкм.

Для проверки рабочих характеристик предложенного ТЗП из БрХ08 были изготовлены образцы диаметром 30 мм с нанесенным на них плазменно-кластерным методом ТЗП, содержащим подслой никеля - 25÷30 мкм, слой оксида циркония - 70÷75 мкм и слой оксида гафния - 10÷15 мкм. Все слои были наноструктурированы в процессе нанесения. Образцы прошли термоциклические испытания на установке для проведения испытаний покрытий, созданной в Центре Келдыша. В процессе испытаний образцы с ТЗП находились под воздействием со стороны ТЗП потока плазмы со среднемассовой температурой ~ 4400 К, которая моделирует высокотемпературный поток газа. С обратной стороны образец охлаждается водой, температура которой на входе и выходе из установки измеряется. Во время испытаний образцы выдержали 13 циклов по 30 секунд каждый. Разрушения покрытий не произошло. Проведенные оценки температуры на внешней границе ТЗП показали, что она находилась в диапазоне 2350÷2500°С. Исследование ТЗП после испытаний проводили на растровом электронном микроскопе. Исследования показали, что ТЗП сохранили свою структуру и работоспособность.

1. Теплозащитное покрытие для защиты поверхности детали, подверженной воздействию высокотемпературного газового потока, состоящее из металлического подслоя с нанесенным на него рабочим слоем, содержащим слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, отличающееся тем, что рабочий слой содержит нанесенный на слой оксида циркония слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия, при этом подслой и слои из оксида циркония и оксида гафния выполнены наноструктурированными.

2. Теплозащитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что подслой выполнен из никеля или сплава никеля.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пленочным материалам для управления солнечным светом для использования в остеклении и касается полученных с использованием тройных сплавов панелей с низкой излучательной способностью, включающих в себя подложку и отражающий слой, образованный поверх подложки, а также способов их формирования.

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров.

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров.

Изобретение относится к распылительному блоку магнетрона для осаждения пленок твердых растворов FexTi(1-x)O2 в диапазоне 0<х<0,6 на поверхности металлов, стекол или керамики.

Изобретение относится к области нанесения покрытий из аморфного оксида алюминия на изделия из металла и диэлектриков и может быть использовано в различных областях науки и техники.
Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к оптоэлектронике, а именно к электропроводящим оптически прозрачным покрытиям на основе оксида индия и олова.

Изобретение может быть использовано при нанесении оксидного покрытия, в частности Al-Cr-O, на подложку методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Осуществляют нанесение реакционного PVD-покрытия на поверхность подложки в камере с использованием технологического газа, содержащего химически активный газ, в частности кислород, реагирующий с ионами металлов, полученными из по меньшей мере одной мишени, для осаждения по меньшей мере одного слоя, состоящего из Al, Cr, Si и О.

Изобретение относится к области изготовления диспенсерных катодов на основе скандата бария или других материалов на основе скандата бария, а именно к материалу мишени и мишени для физического осаждения тонких пленок, дисперсному катоду на основе скандата бария и способу его получения и способу получения мишени.

Изобретение относится к области изготовления тонкопленочных материалов и может быть использовано для создания полупроводниковых приборов, в частности тепловых приемников.

Изобретение относится к покрытию изделий, инструментов и конструктивных элементов, которые должны иметь хорошие скользящие свойства или которые применяются в трибологических системах, в которых, как правило, должно применяться смазочное вещество для снижения трения.

Изобретение относится к получению наноразмерных материалов, пригодных для сорбции биологических сред и биомолекул и может быть использовано в медицине и фармакологии.

Изобретение относится к износостойким многослойным покрытиям с алмазоподобным углеродом и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, химической промышленности для повышения эксплуатационных характеристик изделий функционально различного назначения.

Изобретение относится к получению нанодисперсного порошка карбида хрома. Проводят восстановительную обработку оксидного соединения хрома микроволновым излучением в атмосфере аргона.

Изобретение относится к области получения высокопрочных, износостойких и экструдируемых полимерных нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для трибоузлов, в том числе работающих в экстремальных условиях Крайнего Севера.
Изобретение относится к области получения водно-дисперсионных лакокрасочных материалов (ВД-ЛКМ), содержащих биоцидную добавку наночастиц серебра, и может быть использовано для получения лакокрасочных материалов для внутренней отделки помещений.

Изобретение относится к способу получения урокиназы, энтрапированной в коллоидный магнитный керамический нанокомпозитный материал, и может быть использовано в медицине для топической терапии тромботических состояний конечностей.
Изобретение может быть использовано в электронике. Германат редкоземельных элементов состава Ca2La8(1-х)Eu8хGe6O26, где 0,05≤х≤0,15, в наноаморфном состоянии используют в качестве люминофора белого цвета свечения.

Изобретение относится к медицине, а именно к стоматологии, и может быть использовано для лечения и профилактики гиперестезии дентина зубов. Для этого осуществляют подготовку поверхности дентина с помощью плазматрона путем ее 15±1 секундной обработки сфокусированным пучком холодной аргоновой плазмы с расстояния 2-5 мм от дентина.

Теплоаккумулирующее устройство относится к области теплотехники, более конкретно к теплоаккумулирующим устройствам, использующим скрытую теплоту фазовых переходов рабочего вещества для обеспечения комфортных условий дыхания при использовании изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде путем охлаждения вдыхаемого воздуха, а также для достижения требуемого теплового режима источников энергии (ИЭ) при их циклической работе в качестве их защиты от кратковременных воздействий внешних тепловых потоков.

Изобретение относится к получению горячим прессованием высокотемпературного композиционного антифрикционного материала на никелевой основе. Шихта содержит нанопорошки никеля (Ni) и молибдена (Мо), порошок дисульфида молибдена (MoS2) и порошок меди (Cu).

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении композитов, электрохимических и электрофизических устройств. В электролите, содержащем источник углерода, размещают электроды. В качестве анода используют электропроводные материалы, такие как железо, алюминий, титан, молибден, медь, нержавеющая сталь. Также в качестве анода можно использовать неэлектропроводный материал, снабженный покрытием из электропроводного материала, такого как железо, алюминий, титан, молибден, медь, нержавеющая сталь. В качестве электролита используют водные растворы солей, содержащих анионы НСО3, Н3С2О2, СО3, по отдельности либо в виде смеси. В качестве солей, содержащих анионы НСО3 и/или СО3, можно использовать водорастворимые соли натрия и/или калия или их смесь, а в качестве солей, содержащих анионы Н3С2О2 - водорастворимые соли K, Na, Ва, Cu, Mg, Cr, Fe++, Fe+++, Ni, Mn, Zn, Ag, Sn, Co либо их смеси. Через электролит пропускают постоянный или импульсный электрический ток. Получают графен, графеновые пленки и покрытия на подложке в промышленном масштабе без использования высоких температур, защитных атмосфер и дорогостоящих солей. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к теплозащитным покрытиям для защиты поверхности деталей, подверженных воздействию высокотемпературных газовых потоков и выполненных, в том числе, из двухслойных паяных конструкций и может быть использовано для защиты изделий ракетной и авиационной техники. Теплозащитное покрытие состоит из металлического подслоя с нанесенным на него рабочим слоем, содержащим слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Рабочий слой содержит нанесенный на слой оксида циркония слой оксида гафния, стабилизированного оксидом иттрия, при этом подслой и слои из оксида циркония и оксида гафния выполнены наноструктурированными. В частном случае осуществления изобретения подслой выполнен из никеля или сплава никеля. Обеспечивается создание теплозащитного покрытия, обеспечивающего эффективную защиту деталей, в том числе выполненных из двухслойных паяных конструкций, от воздействия высокотемпературного газового потока. 1ил.

Наверх