Эрозионностойкий керамический материал, порошок, шликер и конструкционный элемент

Изобретение относится к эрозионностойкому керамическому материалу и может быть использовано в составе керамического теплозащитного экрана камеры сгорания. Керамический порошок содержит 96-99,9 мас.% оксида алюминия разных гранулометрических фракций и 0,1-4 мас.% активного оксида магния, образующего в процессе обжига шпинельную фазу. В качестве оксида алюминия используют пластинчатый глинозем. Порошок не содержит соединений кремния. Технический результат изобретения - повышение коррозионной и эрозионной стойкости и термостойкости керамики. 4 н. и 12 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к эрозионностойкому керамическому материалу, порошку, шликеру и конструкционному элементу.

Керамические теплозащитные экраны (CHS) как пример конструкционных элементов из керамического материала при практическом применении обнаруживает коррозию и эрозию на стороне горячего газа. Этот процесс ведет свое начало от коррозии содержащегося в CHS-материале муллита, который при контакте с горячим газом превращается во вторичный корунд. Этот вторичный корунд, в свою очередь, имеет более низкую механическую прочность, чем окружающий CHS-материал. Этот вторичный корунд уносится с потоком горячего газа, и при этом более крупные структурные составляющие конструкционного элемента выступают из поверхности керамики. Если эти структурные составляющие обнажатся до известной степени, они будут отделяться от поверхности CHS.

Керамические теплозащитные экраны CHS камеры сгорания в ряду наиболее часто поражаемых коррозией и эрозией CHS часто содержат алюмооксидное покрытие на стороне горячего газа. Это покрытие наносят на CHS способом напыления суспензии или способом газопламенного напыления.

Эти покрытия часто состоят из относительно мелкозернистых структур, которые в процессе эксплуатации склонны к повторному спеканию, образованию трещин и преждевременному выносу песка.

Напротив, газопламенное покрытие является относительно плотным, хрупким и не может следовать деформациям CHS при работе установки. Здесь также следствием являются образование трещин в покрытии и отделение компонентов покрытия, также из-за довольно плохой адгезии газопламенного покрытия к базовому материалу CHS. Срок службы этих покрытий довольно ограничен. Тем самым, продолжительность защиты базового материала CHS от коррозии горячими газами также заметно ограничена. К тому же, само отделившееся покрытие является дополнительным источником частиц, которые ускоряются в направлении турбины и могут там вызвать повреждения в теплозащитном покрытии лопаток турбины.

Таким образом, задачей изобретения является поиск решения указанной проблемы.

Эта задача решена посредством порошка согласно пункту 1 или 2 формулы изобретения, керамики согласно пункту 11, шликеру согласно пункту 16 и конструкционному элементу согласно пункту 17.

Керамика по меньшей мере содержит (в вес.%), в частности, состоит из оксида алюминия как материала матрицы, в частности, в количестве от 92,0% до <99,0%, и муллита, в частности, в количестве 8,0-1,0%.

Керамика в данном контексте означает общее родовое понятие и любую форму представления, такую как заготовка, неспеченное изделие, порошок, шликер, конечный продукт, в виде монолита или слоя.

При этом в качестве оксида алюминия предпочтительно использовать корунд или пластинчатые глиноземы.

Керамика предпочтительно содержит в качестве оксида алюминия химически активный глинозем, который присутствует в шликере для снижения содержания влаги и для улучшения обрабатываемости.

Предпочтительно, чтобы в керамике или порошке не содержалось оксида кремния и/или каких-либо соединений кремния.

Порошок содержит по меньшей мере обладающий активностью оксид магния (MgO) в содержании от 0,1% до 4,0% для образования шпинели (MgAl₂O₄) с присутствующим оксидом алюминия и от 96,0% до 99,9% оксида алюминия.

Порошок предпочтительно содержит γ'-оксид алюминия, или корунд, или пластинчатый глинозем в качестве оксида алюминия, или активный глинозем в качестве оксида алюминия, в качестве добавок для снижения влагосодержания и для улучшения обрабатываемости в шликере, в частности, в содержании от 10 вес.% до 25 вес.%.

Пластинчатый глинозем предпочтительно содержит по меньшей мере три разные гранулометрические фракции, и максимальный размер зерен пластинчатого глинозема составляет до 10 мм.

Активный глинозем предпочтительно содержит по меньшей мере две разные гранулометрические фракции.

При этом гранулометрическая фракция означает фракцию порошка с распределением, близким к распределению Гаусса или Максвелла. "Разные" гранулометрические фракции означает, что их распределения по размерам значительно различаются.

Активный оксид магния (MgO) предпочтительно имеет активность к лимонной кислоте от 10 секунд до 250 секунд.

Шликер содержит по меньшей мере одну жидкость, в частности, воду, и порошок, какой описан выше.

Из керамики, порошка или шликера получают конструкционный элемент.

Муллит как склонный к коррозии компонент материала для керамических теплозащитных экранов, в новом материале исключен, в частности, полностью. Корунд, остающийся в современных материалах, является заметно более стойким к горячим газам. Тем самым, устраняется наблюдавшаяся до сих пор коррозия муллита и связанное с ней образование механически нестабильного вторичного корунда. Благодаря этому отслоение этого керамического материала сводится к гораздо меньшей коррозии и эрозии корунда.

В керамике в результате добавки небольшого количества активного MgO (0,1-4,0 вес.%) происходит образование альтернативной вяжущей фазы. Этот активный MgO действует при изготовлении конструкционного элемента из керамики как временное вяжущее вследствие образования Mg(OH)_2.

В процессе обжига оксид магния, который доступен как Mg(OH)₂, реагирует с тонкозернистым оксидом алюминия из остального замеса с образованием шпинели. Эта шпинельная связь (MgAl₂O₄) заменяет прежнее связывание муллитом в готовом конструкционном элементе. В результате образования шпинели снова получается двухфазная система (корунд и шпинель). Эти двухфазные системы характеризуются незначительно различающимися коэффициентами теплового расширения отдельных фаз и, из-за обусловленных этим микротрещин в структуре, лучшей стойкостью к изменениям температур.

Активный глинозем используется в керамике для снижения влагосодержания и для улучшения обрабатываемости. Другим положительным эффектом этого активного глинозема является образование очень тонкодисперсного распределение пор в керамической структуре. Хотя общая пористость конструкционного элемента, изготовленного из керамики, находится примерно на том же уровне, что и в других керамических материалах, типичный средний диаметр пор (<5 мкм) здесь явно меньше, чем для других отлитых CHS-материалов (обычно от 5 до 20 мкм). Эти мелкие поры также способствует стойкости к тепловым ударам керамики как монолитного конструкционного элемента. Активный глинозем предпочтительно используется в содержании от 10 вес.% до 25 вес.% от всего замеса.

Остальные исходные материалы для порошка состоят из пластинчатого глинозема разного гранулометрического состава с максимальным размером зерна до 10,0 мм. Распределение по размерам (= 1 фракция зерна) активного глинозема, вяжущее (активный MgO) и прочие компоненты замеса (пластинчатый глинозем) подбирают друг к другу таким образом, чтобы, с одной стороны, достичь достаточной текучести и, тем самым, обрабатываемости при получении материала, а с другой стороны, чтобы удовлетворить также требования к прочности и стойкости материала к тепловым ударам, необходимые для применения в газовой турбине.

Благодаря отсутствию муллита керамика значительно более устойчива к горячему газу и, следовательно, менее чувствительна к коррозии и эрозии, чем любой другой используемый в настоящее время CHS-материал.

Благодаря использованию дисперсного глинозема пористость конструкционного элемента из керамики или из порошка заметно выше и оптимизирована в отношении более мелких пор, в результате чего заметно улучшается стойкость к тепловым ударам.

Использующийся активный MgO действует при получении CHS как временная вяжущая фаза. В результате можно отказаться от использования других вяжущих, которые могли бы привести позже в готовом продукте к негативным побочным явлениям.

При обжиге керамики активный MgO образует прочную и стойкую к горячему газу шпинельную фазу. Эта шпинельная фаза образует в тонкозернистой матрице прочную связь между более крупными компонентами замеса.

Корунд, благодаря его шпинельной связи, мелким порам и остальной структуре, как единственный известный в настоящее время огнеупорный материал, не содержащий муллита, имеет достаточную стойкость к тепловым ударам, чтобы и после стандартной серии испытаний на многоцикловую усталостную прочность в горячих условиях на испытательном стенде (имитация тепловой и механической нагрузок материала CHS при работе установки) достичь требуемых значений прочности.

Снижение коррозии и эрозии керамических теплозащитных экранов из корунда по сравнению с CHS из других материалов значительно увеличивает срок их службы в подверженных эрозии зонах камеры сгорания.

Так как частота замены керамических теплозащитных экранов из-за эрозии материала значительно уменьшается, возрастает срок службы CHS.

Время, требующееся для замены CHS, в случае керамических теплозащитных экранов этого типа уменьшается, благодаря чему можно сократить также время простоя всей установки.

Благодаря заметно сниженному уносу материала с поверхности CHS, в направлении турбины переносится меньше частиц, которые могли бы там разрушительно действовать на покрытие лопаток турбины. В результате значительно продлевается срок службы теплозащитного покрытия турбинной лопатки. Становится возможной заметно более продолжительная эксплуатация лопаток турбины.

Предлагаемый материал подходит для любых применений, в которых огнеупорный материал подвергается воздействию тепловых ударов и, кроме того, должен противостоять коррозионному воздействию горячих газов.

1. Порошок для производства шликера или керамики, по меньшей мере содержащий (в вес.%):

- 96,0%-99,9% оксида алюминия,

- активного оксида магния (MgO),

в количестве от 0,1% до 4,0%, для образования шпинели с присутствующим оксидом алюминия,

указанный порошок содержит пластинчатый глинозем в качестве оксида алюминия.

2. Порошок по п. 1, содержащий γ'-оксид алюминия.

3. Порошок по п.1 или 2, содержащий корунд в качестве оксида алюминия.

4. Порошок по одному или нескольким пп. 1-3, содержащий активный глинозем в качестве оксида алюминия, в частности, в количестве от 10 вес.% до 25 вес.% как добавку для снижения содержания воды и для улучшения обрабатываемости в шликере.

5. Порошок по п. 1 или 4, причем пластинчатый глинозем содержит по меньшей мере три разные гранулометрические фракции.

6. Порошок по п. 4 или 5, причем активный глинозем содержит по меньшей мере две разные гранулометрические фракции.

7. Порошок по одному или нескольким пп. 1-6, причем пластинчатый глинозем имеет максимальный размер зерна до 10 мм.

8. Порошок по одному или нескольким из предыдущих пп. 1-6 или 7, причем активный оксид магния (MgO) имеет активность к лимонной кислоте от 10 секунд до 250 секунд.

9. Керамика для керамических теплозащитных экранов (CHS), полученная с использованием порошка по одному или нескольким пп. 1-8, по меньшей мере содержащая (в вес.%), в частности, состоящая из:

- оксида алюминия как материала матрицы, в частности, в количестве от 92,0% до <99,0%, и

- шпинели, в частности, в количестве 8,0%-1,0%.

10. Керамика по п. 9, в которой оксид алюминия присутствует в виде корунда.

11. Керамика по п. 9 или 10, в которой оксид алюминия присутствует в виде активного глинозема для снижения содержания воды и для улучшения обрабатываемости в шликере.

12. Порошок или керамика по одному или нескольким пп. 1-11, которые не содержат оксида кремния и/или соединений кремния.

13. Шликер, содержащий по меньшей мере одну жидкость, в частности воду, и порошок по одному или нескольким пп. 1-8 или 12.

14. Конструкционный элемент для керамических теплозащитных экранов (CHS), содержащий, керамику по одному или нескольким пп. 9-11 или 12, или полученный из порошка по одному или нескольким пп. 1-8 или 12, или шликера по п. 13.

15. Конструкционный элемент по п. 14, у которого 90% всех пор, в частности 95% всех пор, меньше 5 мкм.

16. Конструкционный элемент по п. 14 или 15, содержащий оксид алюминия и шпинель, в частности состоящий из них.