ПОВОРОТНОЕ РЕАКТИВНОЕ СОПЛО

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, в частности к конструкции поворотного сопла газотурбинного двигателя, преимущественно для высокоманевренных самолетов.
Известно поворотное реактивное сопло, содержащее корпус, соединенный с устройством поворота реактивного сопла, шарнирно закрепленные на корпусе дозвуковые створки, соединенные с ними сверхзвуковые створки с проставками и экраны, размещенные со стороны внутренних поверхностей корпуса и дозвуковых створок (Патент на ПМ №44150, 2005 г.).
Все детали реактивного сопла изготавливаются из жаростойких материалов. Однако при повороте реактивного сопла увеличивается контакт его деталей с нагретым газом и в сравнении с горизонтальным положением сопла температура на их внутренних стенках увеличивается на 100°-200° и достигает значений порядка 1150°-1200°С. Используемые материалы не выдерживают таких температур.
Технический результат, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является повышение межремонтного ресурса поворотного реактивного сопла до 500 часов, за счет покрытия внутренних поверхностей его деталей, наиболее контактирующих при повороте сопла с газовым потоком, теплозащитным покрытием, выдерживающим кратковременное повышение температуры до 1150-1200°С.
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, размещенные со стороны внутренних поверхностей корпуса и дозвуковых створок, поверхности сверхзвуковых створок, проставок и экранов со
2
2
3
2
3
стороны газового тракта сопла выполнены с покрытием, нанесенным на поверхность методом плазменного напыления и включающем подслой из жаростойкого сплава системы металл-хром-аллюминий-иттрий MeCrAlY и наружный слой из твердого раствора окиси циркония, стабилизированного окисью иттрия ZrO-YO с содержанием YО от 6 до 8% мас.
2
2
3
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
3
2
3
2
3
Применение керамического покрытия ZrO-YO обеспечивает покрытие поверхностей деталей реактивного сопла материалом с оптимальными свойствами, обеспечивающими работу при температурах порядка 1150°. Из всех оксидов (наиболее стойких химических соединений, имеющих высокие температуры плавления), оксид циркония ZrO имеет минимальную теплопроводность и наиболее пригоден для целей теплозащиты. Однако в отличие от многих оксидов ZrO имеет полиморфизм. При нагреве моноклинная структура ZrO последовательно превращается в тетрагональную и кубическую. Охлаждение приводит к обратной модификации, причем переход из одной формы кристаллической решетки в другую связан с объемным изменением материала и его разрушением. С целью стабилизации оксида циркония в кубической (тетрагональной) форме необходимо образование твердых растворов с другими оксидами, кристаллизующимися совместно с ZrO в кубической устойчивой форме. Наиболее устойчивым является твердый раствор ZrO, стабилизированный окисью иттрия YО. Однако высокую термостойкость имеет лишь частично стабилизированный ZrO из-за образования моноклинной фазы. Такой материал имеет меньший коэффициент термического расширения и большую пористость. Экспериментально установлено, что материал покрытия, содержащий 10-15% моноклинной фазы имеет наибольшую термостойкость, поэтому оптимальное содержание оксида иттрия в твердом растворе ZrO-YO составляет 6-8% (при 6% содержании YО материал покрытия содержит 10% моноклинной фазы, а при 8% YО - 15% моноклинной фазы). Обычно используется среднее
2
3
значение %-го содержания YО, составляющее 7% (керамический материал марки ЦИ-7).
Известно, что для использования в качестве теплозащиты коэффициент теплопроводности покрытия не должен превышать 3 Вт/м.К. С увеличением пористости коэффициент теплопроводности значительно падает. Нанесение слоя керамики методом плазменного напыления обеспечивает пористость покрытия - 15-20% и более, что обеспечивает коэффициент теплопроводности <1,5 Вт/м. К, и, таким образом, лучшую теплозащиту.
2
2
3
Наличие подслоя необходимо для создания коррозионной защиты основного материала из-за возможного проникновения кислорода в сквозные микропоры покрытия, поскольку ZrO не является барьером для кислорода. Подслой, служащий барьером для кислорода между подложкой и керамикой, должен быть выполнен из коррозионностойкого и жаростойкого сплава. Наиболее жаростойкими являются сплавы системы металл-хром-аллюминий-иттрий MeCrAlY. Кроме того, эти сплавы обеспечивают высокую адгезию к основному материалу и к керамическому слою. Адгезия керамического слоя определяется адгезией оксидной пленки АlO, образующейся на границе раздела керамики - подслой. Наиболее оптимальным в этом отношении является химически модифицированный сплав NiCrAlY, такой как, например сплав ПВНХ16Ю6СЗИ или ПХ16Н77Ю6ИТ.
Плотность и сплошность подслоя покрытия обеспечивается использованием метода плазменного напыления, при котором происходит полное расплавление материала и перенесение его на подложку с минимально возможными потерями химических элементов.
Полезная модель поясняется графически, где на фиг.1 представлен продольный разрез поворотного реактивного сопла, на фиг.2 - вид А фиг.1.
Поворотное реактивное сопло содержит корпус 1, шарнирно закрепленные на нем дозвуковые створки 2 и внешние створки 3, соединенные со сверхзвуковыми створками 4. На внутренней поверхности сверхзвуковых створок 4 (между створками) размещены проставки 5,
2
2
3
2
3
2
которые при работе сопла и раскрытии створок 4 перекрывают щели, образующиеся между этими створками. На корпусе 1 и дозвуковых створках 2 со стороны их внутренних поверхностей размещены экраны 6. На поверхности сверхзвуковых створок 4, проставок 5 и экранов 6 со стороны газового тракта сопла (внутренняя часть сопла, через которую проходит газовый поток) плазменным методом напыления нанесено теплозащитное покрытие (на фиг.1 поверхности, на которое наносится покрытие обозначены стрелками), включающее подслой толщиной 50÷6 Омкм из жаростойкого сплава системы металл-хром-аллюминий-иттрий MeCrAlY, например сплава ПВНХ16Ю6СЗИ, содержащего Сr - 15-19%; Аl - 5-7%; Y - 0,2-0,7%; Ni -основа, или сплава ПХ16Н77Ю6ИТ, содержащего Сr - 16%; Аl - 6%; Y - около 1%; Ti - около 1%; Ni - основа, и наружный слой толщиной 80÷120 мкм из твердого раствора окиси циркония, стабилизированного окисью иттрия ZrO-YO с содержанием YО от 6 до 8% мас., например марки ЦИ-7(с 7% YO).
Толщина керамического слоя покрытия - 80-120 мкм обусловлена следующим.
Толщина покрытия ниже 80 мкм не обеспечивает нужного уровня теплозащиты, а в слое, толщиной свыше 120 мкм вырастает число остаточных напряжений, что увеличивает хрупкость покрытия и ведет к его разрушению, например при вибрационных нагрузках.
Толщина подслоя 50-60 мкм является оптимальной, обеспечивающей жаростойкость и низкий уровень напряжений в системе подслой-керамика.
В полете при повороте реактивного сопла изменяется направление газового потока, который кратковременно тормозится на внутренних поверхностях сверхзвуковых створок 4, проставок 5 и экранов 6, увеличивая их температуру в сравнении с горизонтальным положением сопла на 100-200°С. Керамическое покрытие, нанесенное на поверхности створок 4, проставок 5 и экранов 6 со стороны проточной части сопла, обладая минимальной теплопроводностью, защищает их от действия высоких
температур (порядка 1150-1200°С), а подслой из сплава системы металл-хром-аллюминий-иттрий MeCrAlY обеспечивает формирование на покрываемой поверхности герметичного слоя, исключающего возникновение подпленочной коррозии, вследствие проникновения газовой среды через сквозные микропоры керамического покрытия.
Полезная модель позволяет обеспечить межремонтный ресурс работы поворотного реактивного сопла до 500 часов.