Многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие для детали из жаропрочного сплава

Изобретение относится к покрытию деталей из жаропрочного сплава и может быть использовано при изготовлении деталей газовой турбины, в частности турбинных лопаток или теплозащитных экранов. Многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие для детали из жаропрочного сплава состоит из двух или более слоев из диоксида циркония, разделенных жаростойкими металлическими слоями, при этом поверхность верхнего слоя из диоксида циркония модифицирована ионами щелочного или щелочноземельного металла с образованием участков с работой выхода электронов ниже работы выхода электронов остальной поверхности. Обеспечивается повышение надежности и долговечности защитных покрытий деталей из жаропрочных сталей от теплового и механического воздействия со стороны агрессивных высокотемпературных сред, движущихся относительно защищаемых деталей из жаропрочных сталей с большими скоростями. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к покрытию детали из жаропрочного сплава и может быть использовано при изготовлении деталей газовой турбины Газотурбинных установок (ГТУ) и Газотурбинных двигателей (ГД), в частности турбинных лопаток или теплозащитных экранов, или других объектов, испытывающих нагрев со стороны обтекающего их высокотемпературного потока газа.

Известно теплозащитное покрытие по Патенту №2392349 «ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ДЕТАЛИ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, ИЛИ НИКЕЛЯ, ИЛИ КОБАЛЬТА», которое содержит наружный керамический слой со структурой пирохлора Gdv(ZrxHfy)Oz, изготовленный из смеси с соотношением гафния и циркония, составляющим 10:90 или 20: 80, или 30:70, или 40:60, или 50:50, или 60:40, или 70:30, или 80:20, или 90:10.

Известно теплозащитное покрытие по Патенту №2423550 «ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛОПАТОК ТУРБИН И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ», который включает формирование на защищаемой поверхности лопатки металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя. Переходный металлокерамический слой по его толщине формируют с пошаговым изменением соотношения содержания металла к керамике от 1% до 20% весовых на шаг, с уменьшением количества металла по толщине переходного слоя от 100% до 0%, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 100 мкм.

Недостатком аналогов является низкая теплопроводность материала, которая способствует возникновению больших температурных градиентов и температурных напряжений, которые могут явиться причиной разрушения защитного покрытия и защищаемого объекта, например, Лопатки Турбины (ЛТ) Газотурбинного Двигателя (ГД) и Газотурбинной Установки (ГТУ).

Прототипом Заявляемого Изобретения Является многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие по Патенту US №5089292 «Fieldemissioncathodearraycoatedwithelectronworkfunctionreducingmaterial, andmethod», которое представляет собой поверхность, выполненную в виде модифицированного слоя щелочного или щелочноземельного металла. Такое покрытие характеризуется низкой работой выхода электронов (РВЭ), что приводит в большей термоэмиссии и электронному охлаждению при нагреве. В результате повышается долговечность защищаемого изделия.

Недостатком прототипа также является то, что данное покрытие работает в вакууме или при очень малых давлениях. При этом на воздухе быстро окисляется и уносится при малейшем механическом воздействии.

Технической задачей, является повышение надежности и долговечности защитных покрытий деталей из жаропрочных сталей от теплового и механического воздействия со стороны агрессивных высокотемпературных сред, движущихся относительно защищаемых деталей из жаропрочных сталей с большими скоростями.

Указанная техническая задача решается тем, что поверхность внешнего слоя покрытия модифицируют путем ионной имплантации щелочных или щелочноземельных элементов, например, цезия, бария, натрия, калия и др. в верхний слой покрытия при бомбардировки пучком ионов этих элементов, ускоренных до энергий 20-70 кэВ, либо диффузией щелочных или щелочноземельных элементов из газовой фазы. Это приводит к снижению РВЭ участков поверхности внешнего слоя покрытия, повышению на данной основе его термоэмиссии и электронного охлаждения, снижению средней температуры и температурных градиентов. Таким образом улучшаются прочностные характеристики покрытия, а также надежность и долговечность защищаемого объекта.

При работе покрытия происходит термоэлектронная эмиссия из материалов покрытия. Явление термоэлектронной эмиссии обеспечивает больший отвод тепловой энергии нагрева электронами эмиссии при большей температуре защищаемой поверхности. Это означает, что при неравномерно распределенном нагреве объекта защиты, обтекаемого потоком высокотемпературного газа, снизятся максимальные температуры поверхности защитного покрытия, возникнет меньший перепад температур и меньшие температурные напряжения в материале покрытия, а значит увеличивается надежность и долговечность покрытий и защищаемых объектов, например, лопаток турбин при уменьшении массы материалов покрытия.

При нагреве обтекаемой поверхности с модифицированным внешнем слоем будет происходить термоэлектронная эмиссия электронов. Причем, чем выше тепловые потоки нагрева, тем быстрее увеличивается температура. Однако, при более низкой работе выхода участка поверхности небольшое увеличение температуры поверхности вызовет больший рост плотности тока эмиссии и электронного охлаждения. Вышедшие электроны при этом сносятся обтекающим защищаемый объект потоком газа и переносятся на участки защищаемой поверхности с более низкой температурой. Для лопаток турбин это может быть, например, зона задней кромки. Далее электроны, за счет температурной разности потенциалов между поверхностями термоэлектронной эмиссии и восприятия электронов, внутри слоев покрытия возвращаются в более высокотемпературную область. При этом происходит выравнивание температур по поверхности защищаемого объекта, и снижаются температурные напряжения по сравнению с Прототипом. При этом в случае переменных тепловых нагрузок на защищаемый объект с изменением области максимального нагрева, которая в свою очередь станет областью с максимальным электронным охлаждением.

Техническим эффектом, достигаемым при реализации Изобретения, является снижение максимальной температуры защищаемого объекта, снижение температурных перепадов и напряжений. Все это приводит к повышению надежности и долговечности покрытия и защищаемого объекта. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет управлять процессом защиты объекта. Так для достижения более высоких значений контактной разности потенциалов между участками эмиссии электронов и участками восприятия электронов можно снизить РВЭ участка эмиссии электронов меньше, чем РВЭ участка восприятия электронов. Таким образом, за счет контролируемого снижения РВЭ для каждого участка обтекаемой поверхности защищаемого объекта можно управлять распределением тепла, задавая участки эмиссии электронов и участки восприятия электронов из потока обтекающего газа. То есть формируется «умный» теплозащитный слой.

На чертеже изображено заявляемое теплозащитное покрытие.

Многослойное покрытие, нанесенное на поверхность лопатки турбины 1, состоит из слоев 2 двуокиси циркония, разделенных слоями 3, 4, 5 жаростойких материалов, области 6 и 7 с пониженной РВЭ.

Заявляемое изобретение работает следующим образом.

При нагреве поверхности защищаемого объекта, например, продуктами сгорания топливовоздушной смеси, с поверхности верхнего слоя из области 6 верхнего слоя 2 покрытия начинают выходить и уносится потоком газа «горячие» электроны, охлаждая при этом область 6 верхнего слоя покрытия, то есть температура области становится ниже, по сравнению со случаем если в области 6 РВЭ не снижена. То есть максимальная температура ЛТ при работе достигается в области передней кромки. При снижении же РВЭ области передней кромки, температура также максимальна, по отношению к остальной поверхности, однако, в данном случае она становится ниже.

При этом чем выше температура нагретых областей защитного покрытия, например, передней кромки лопатки турбин, тем больше отводится тепловой энергии.

Далее газ движется вдоль поверхности защищаемого объекта. Одновременно, электроны из потока рабочего тела проникают в материал покрытия в области 7 с более низким значением РВЭ, чем в области 6, частично нагревая ее. При этом происходит автораспределение функций КАТОДА и АНОДА между областями 6 и 7верхнего слоя 2 покрытия одного и того защищаемого объекта, имеющих при этом различную температуру, то есть между ними возникает контактная разность потенциалов. Далее электроны вдоль слоев 1-5 покрытия из менее нагретой области защищаемого объекта возвращаются в более нагретую. При движении от менее нагретой области защищаемого объекта к более нагретому происходит выделение тепловой энергии за счет движения электрического тока, то есть Джоулев нагрев, что означает перераспределение тепла более интенсивного нагрева области 6 по толщине защитного покрытия.

Покрытие может сформировано с применением современных технологий нанесения покрытий на детали ГТУ и ГД.

Пример. На лопатку турбины (ЛТ) вакуумно-плазменным методом наносят металлический слой состава Co-32Cr-3Al-1Y. Далее ЛТ подвергают отжигу в вакууме. Далее магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы на ЛТ наносят второй слой ZrO₂ с последующим отжигом в вакууме. Далее вакуумно-плазменным методом наносят металлический слой Co-26Cr-9Al-1Y и также проводят отжиг в вакууме. Магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы на ЛТ наносят четвертый слой ZrO₂ с отжигом в вакууме. Далее вакуумно-плазменным методом на ЛТ наносят слой Co-22Cr-13Al-1Y. Далее отжиг в вакууме. После магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы на ЛТ наносят шестой верхний слой ZrO₂. Производят отжиг в вакууме. Далее производят процесс ионной имплантации участков поверхности ионами Цезия разогнанных до энергий 20-60 кэВ до достижения доз имплантации 10¹⁵-10¹⁷ ион/см² с последующим отжигом в вакууме при температуре 500-800°С в течении 5-8 часов. Таким образом, обеспечивается снижение РВЭ областей верхнего слоя ZrO₂ и получается покрытие со частично сниженной работой выхода - термоэмиссионно-защитное покрытие.

Стоит отметить, что состав и количество промежуточных слоев выбирают из соображений обеспечения работоспособности покрытия в условиях функционирования защищаемого объекта, например, ЛТ. Например, покрытие может сформировано их металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя любыми методами нанесения покрытий. При этом для каждого слоя можно произвести ионную имплантацию или диффузное насыщение из газовой фазы щелочными и щелочноземельными химическими элементами, например, цезием или барием с последующим отжигом, для обеспечения заданного снижения РВЭ.

Таким образом, при реализации Изобретения решается поставленная техническая задача и достигается технический эффект, который заключается в том, что происходит выравнивание поля температур защищаемого объекта, снижение на данной основе максимальных температур и температурных напряжений на поверхности, а значит повышается надежность и долговечность защищаемого объекта, например, лопаток турбин или передних кромок высокоскоростных летательных аппаратов.

Заявляемое изобретение может найти применение при модернизации существующих объектов, например, ГТУ и ГД без внесения изменений в технологический процесс. Для этого необходимо произвести разбор турбины ГТУ или ГД, изъять ЛТ, поместить в камеру установки ионной имплантации, произвести ионную имплантацию и вернуть ЛТ обратно в турбину, а турбину в ГТУ и ГД.

Многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие для детали из жаропрочного сплава, отличающееся тем, что оно состоит из двух или более слоев из диоксида циркония, разделенных жаростойкими металлическими слоями, при этом поверхность верхнего слоя из диоксида циркония модифицирована ионами щелочного или щелочноземельного металла с образованием участков с работой выхода электронов ниже работы выхода электронов остальной поверхности.