ПОВОРОТНОЕ РЕАКТИВНОЕ СОПЛО

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, в частности к конструкции реактивного сопла газотурбинного двигателя, преимущественно для высокоманевренных самолетов и может быть использована для защиты проставок, надстворок и экранов реактивного сопла от воздействия высоких температур и эрозионного износа.
2
3
Традиционно для защиты деталей горячего тракта ГТД от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии используются двухслойные теплозащитные покрытия (ТЗП). На поверхность детали сначала наносится металлический подслой для защиты от высокотемпературной коррозии и окисления. Сегодня самыми распространенными материалами жаростойких покрытий являются сплавы из систем M-Cr-Al-Y (M=Ni, Co, Fe) и Ni(Pt)-Al. Они термически и химически совместимы с жаропрочными сплавами на основе никеля или кобальта, из которых изготавливаются детали ГТД, и оказывают минимальное влияние на их свойства. В ходе эксплуатации ТЗП на поверхности металлического подслоя образуется защитная пленка (слой оксидов роста, TGO). Для обеспечения долговечности ТЗП, она должна состоять преимущественно из α-AlO, а ее формирование должно быть медленным, фазово-однородным и бездефектным. Такая пленка TGO имеет очень низкую анионную проводимость и, благодаря этому, создает превосходный диффузионный барьер, замедляя дальнейшее окисление металлического подслоя.
2
2
3
1C
2
2
2
-6
0.5
2
Верхний керамический слой ТЗП призван снизить температуру детали за счет низкой теплопроводности. В качестве верхнего керамического слоя ТЗП используются материалы на основе диоксида циркония, стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия (ZrO-7YO). Они обладают уникальным сочетанием свойств - они имеют один из самых низких коэффициентов теплопроводности (2,3 Вт/м·К при 1000°C для плотного материала) и стабильно высокий коэффициент термического расширения (11·10 1/°C в диапазоне 20-1000°C). Кроме того, они обладают выдающимися для керамического материала механическими свойствами - высокой вязкостью разрушения (K=2,5-3 МПа/м), ударной вязкостью (Г~300 Дж/м). модулем упругости (E=160-210 ГПа) и твердостью (14 ГПа), что придает покрытию стойкость к эрозионному износу и термоциклическим нагрузкам. Применение этих материалов ограничено дестабилизацией тетрагональной фазы t'-ZrO→m-ZrO+c-ZrO и, как следствие, фазовым переходом с изменением объема, высокой анионной проводимостью и высокой скоростью спекания, что определяет максимальную температуру их эксплуатации на уровне 1200°C.
Одной из технологий, позволяющих повысить эксплуатационные свойства ТЗП, нанесенных методом APS, является обработка поверхности концентрированными потоками энергии. Известны методы обработки поверхности ТЗП, основанные на применении электронного, ионного и лазерного луча (Клименов, В.А. Формирование структуры плазменных порошковых покрытий при высокоэнергетических воздействиях [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук (01.04.07) / Клименов Василий Александрович - Томск, 2000. - 23 с). При воздействии излучения на материал покрытия происходит его локальный разогрев и плавление. Наибольший интерес в настоящее время представляют процессы лазерной обработки ТЗП, так как они обеспечивают равномерное проплавление поверхностного слоя ТЗП на заданную глубину и наилучшим образом подходят по технологическим параметрам - не требуют применения вакуумных камер и обладают высокой производительностью.
2
2
3
Из уровня техники известно поворотное реактивное сопло (RU 56488 U1, МПК F02K 1/12, опубликовано 10.09.2006), которое содержит корпус, соединенный с устройством поворота реактивного сопла, шарнирно закрепленные на корпусе дозвуковые створки, соединенные с ними сверхзвуковые створки с проставками и экраны, установленные на корпусе и дозвуковых створках со стороны их внутренних поверхностей, причем поверхности сверхзвуковых створок, проставок и экранов со стороны газового тракта сопла выполнены с покрытием, включающим подслой из жаростойкого сплава системы металл-хром-алюминий-иттрий (Me-Cr-Al-Y) толщиной 50-60 мкм и наружный слой на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO-7YO) толщиной 80-120 мкм. Покрытие нанесено методом плазменного напыления.
Известное решение позволяет повысить ресурс деталей реактивного сопла за счет нанесения теплозащитного покрытия, выдерживающего кратковременное повышение температуры до 1150-1200°C, однако его защитных свойств недостаточно для предотвращения образования термоусталостных трещин, приводящих к выходу деталей из строя.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение срока эксплуатации деталей при работе форсажной камеры и повороте реактивного сопла.
Техническим результатом является повышение характеристик теплозащитных покрытий (теплозащитного эффекта, термостойкости и жаростойкости), а также стойкости к эрозии и коррозии с помощью увеличения толщины и проведения лазерной обработки верхнего керамического слоя.
2
2
3
Желаемый технический результат достигается тем, что в поворотном реактивном сопле, содержащем корпус, соединенный с устройством поворота реактивного сопла, шарнирно закрепленные на корпусе дозвуковые створки, соединенные с ними сверхзвуковые створки с проставками и экраны, установленные на корпусе и дозвуковых створках со стороны их внутренних поверхностей, причем поверхности сверхзвуковых створок, проставок и экранов со стороны газового тракта сопла выполняются с покрытием, включающим металлический подслой из жаростойкого сплава системы металл-хром-алюминий-иттрий (Me-Cr-Al-Y) и верхний керамический слой на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO-7YO) толщиной 200-500 мкм с пористостью 10-20%. Покрытие после нанесения подвергается лазерной обработке для формирования оплавленного слоя.
После подготовки поверхности деталей реактивного сопла под напыление (очистка, абразивоструйная обработка) осуществляют нанесение металлического подслоя методом плазменного напыления. Металлический подслой выполняют из жаростойкого сплава марки А03-ВС4 (ТУ 1479-03-51286179-2014) из системы металл-хром-алюминий-иттрий (Me-Cr-Al-Y), рабочая толщина подслоя составляет 80-160 мкм.
2
2
3
Затем, на поверхность подслоя методом плазменного напыления осуществляют нанесение верхнего керамического слоя. Верхний керамический слой выполняют из материала марки А03-ТС3 (ТУ 1479-04-51286179-2014) на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO-7YO), рабочая толщина слоя составляет 200-500 мкм. Объемная пористость покрытия должна быть в диапазоне 10-20%. Минимальная толщина керамического слоя (200 мкм) обусловлена необходимостью повышения теплозащитного эффекта покрытия для предотвращения локального перегрева деталей реактивного сопла и образования термоусталостных трещин, а максимальная (500 мкм) - требованиями по термостойкости. Минимальное значение пористости (10%) обусловлено необходимостью повышения термостойкости покрытия и снижения коэффициента его теплопроводности, а максимальное (20%) - требованиями по стойкости к эрозионному износу и коррозии.
После чего деталь с теплозащитным покрытием подвергают обработке с использованием лазерного излучения. В качестве источника излучения используют диодный лазер с длиной волны в диапазоне 0,980-1,080 мкм. Обработку лазерным излучением выполняют в непрерывном режиме. Устройство диодного лазера представлено диодной матрицей, представляющей собой водоохлаждаемую пластину (радиатор) на котором установлены лазерные диоды, при работе которых возникает инверсная населенность в p-n переходе. Диодные моды (источники лазерного излучения) имеют высокий ресурс (>10000 часов), а КПД диодных лазеров достигает 50%. При эксплуатации диодных лазеров снижаются затраты на электроэнергию в 1,5-2 раза.
В результате лазерной обработки покрытия образуется равномерный по толщине оплавленный стекловидный слой, характеризующийся высокой плотностью (пористость менее 0,1%), высокой твердостью, эрозионной стойкостью и низкой шероховатостью. Кроме того, благодаря формированию сетки вертикальных трещин в оплавленном слое, увеличивается термостойкость.
Заявляемый технический результат достигается только при выполнении в заявляемой последовательности нанесения слоев. В случае, если последовательность нанесения слоев, методы их нанесения и их толщины будут нарушены, технический результат достигнут не будет.
Пример:
2
На поверхность проставки реактивного сопла ГТД из никелевого сплава ВЖЛ-12У-ВИ методом плазменного напыления нанесли теплозащитное покрытие, включающее два слоя: металлический подслой из жаростойкого сплава марки А03-ВС4 (ТУ 1479-03-51286179-2014) из системы металл-хром-алюминий-иттрий (Me-Cr-Al-Y), толщиной 120 мкм, а также верхний керамический слой из материала марки А03-ТС3 (ТУ 1479-04-51286179-2014) на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO-7Y2O3) толщиной 350 мкм и пористостью 12%. Покрытие после нанесения подвергли лазерной обработке, в результате которой образовался равномерный по толщине оплавленный стекловидный слой, характеризующийся высокой плотностью (пористость менее 0,1%), высокой твердостью, эрозионной стойкостью и низкой шероховатостью.
По результатам проведенных испытаний достигнуто увеличение срока эксплуатации при работе форсажной камеры и повороте реактивного сопла на 20%.