СПОСОБ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ СПЕКАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОТРЕЩИН И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТЕПЛОВЫХ БАРЬЕРОВ
INTEGRATED SINTERING PROCESS FOR MICROCRACKING AND EROSION RESISTANCE OF THERMAL BARRIERS

Область техники и уровень техники
Настоящее изобретение относится к термобарьерам.
2
2
3
В частности, оно относится к термобарьерам типа керамических барьеров (С) из керамики типа двуокиси циркония ZrO, стабилизированной оксидом иттрия YO, с поперечными микротрещинами.
Как в авиационных, так и в наземных турбинах детали корпуса высокого давления, такие как камера сгорания, сопла питания топливом, направляющие аппараты и лопатки турбин высокого давления (DHP и MHP), защищены теплоизоляционной системой типа огнеупорного «термобарьера».
Целостность этой системы является определяющей для соблюдения требований к эксплуатации защищенных таким образом деталей.
Однако во время нормальной работы часто возникают проблемы, связанные с эрозией под действием горячих газов. В случае газотурбинных двигателей эрозия является комбинированным результатом эрозии от многочисленных взрывов на поверхности покрытий (явления кавитации) и эрозии по причине тепловых циклов, связанных с остановками двигателей.
В обоих случаях происходит уменьшение толщины изоляции по причине эрозии или микроскопического расслоения, вследствие чего снижается тепловая защита нижележащей подложки. Срок службы деталей сокращается, и они требуют частых ремонтов, что создает проблемы с точки зрения организации обслуживания, а также расходов.
В случае тепловых барьеров, выполненных путем осаждения EBPVD (“Electron Beam Physical Deposition” – осаждение из паровой фазы, полученной нагревом электронным пучком), тепловые барьеры с поперечными микротрещинами, полученные посредством плазменного термического напыления (так называемый способ “APS” или “атмосферное плазменное напыление”), представляют собой наилучшее покрытие, одновременно отвечающее требованиям стойкости к эрозии и требованиям стойкости к тепловым циклам.
Эту технологию применяют, в частности, для круглых массивных деталей, таких как детали камер сгорания, или для более мелких деталей, таких как сопла керосиновых форсунок.
Как показано на фиг. 1, термобарьер ВТ, нанесенный на деталь Р, классически состоит из:
- подслоя покрытия из сплава типа MCrAIY (где М соответствует Ni, Co, Fe и NiCo), который образует адгезионный подслой (SCA);
2,
2
3
- теплоизоляционного слоя С из керамики типа двуокиси циркония ZrOстабилизированной оксидом иттрия YO.
Каждый из двух слоев, подслоя из сплава типа MCrAlY и термобарьерного ВТ, нанесен посредством термического напыления при помощи плазмотрона.
Для примера выполнения такого термобарьера можно, в частности, обратиться к патентной заявке FR 2.854.166, в которой описан способ получения термобарьера, в котором слой С керамики и адгезионный подслой (SCA) содержат поперечные микротрещины (с основной составляющей, нормальной к подложке), обеспечивающие термобарьеру определенную гибкость и позволяющие поглощать множественные тепловые циклы дифференциального расширения на границе раздела подложка/термобарьер, а также внутри термобарьера.
Сущность изобретения
2,
2
3
Основной задачей изобретения является повышение стойкости к эрозии и к микроскопическому расслаиванию термобарьеров с керамическим слоем (С) типа двуокиси циркония ZrOстабилизированной оксидом иттрия YO, с поперечными трещинами для деталей, таких как детали турбин.
2,
2
3
Другой задачей изобретения повышение эрозионной стойкости изолирующего слоя С керамики типа двуокиси циркония ZrOстабилизированной оксидом иттрия YO, и одновременное сохранение почти эквивалентного рабочего диапазона (в частности, диапазона температурной стойкости) без существенного изменения общего времени выполнения и стоимости термобарьеров.
2,
2
3
В связи с этим изобретением предложен способ получения термобарьера с поперечными микротрещинами, согласно которому слой С керамики (С) типа двуокиси циркония ZrOстабилизированной оксидом иттрия YO, наносят на адгезионный подслой из сплава типа MCrAlY посредством термического напыления при помощи плазмотрона, при этом указанный адгезионный подслой (SCA) нанесен на защищаемую деталь. Постобработку спекания осуществляют посредством сканирования слоя С керамики (С) лучом плазмотрона, при этом температура в точке падения луча на поверхность слоя С керамики (С) составляет во время этого сканирования от 1300°С до 1700°С, предпочтительно от 1400°С до 1450°С.
2,
2
3
Действительно, известно, что керамика (С) типа двуокиси циркония ZrOстабилизированной оксидом иттрия YO, спекается, начиная от температуры 1300°С, в воздушной атмосфере.
Под спеканием в данном случае и далее в настоящем тексте следует понимать уплотнение материала (например, порошка), получаемое при минимизации энергии системы за счет добавления энергии (термической, механической, при помощи лазера, плазменной горелки и т.д.), но без расплавления по меньшей мере одного из компонентов. Такое спекание керамического слоя (С) приводит к его затвердеванию; оно уменьшает его пористость и способствует повышению эрозионной стойкости.
Для спекания керамика (С) должна оставаться в диапазоне:
- достаточно высокой температуры, чтобы могла происходить реакция спекания, и
- в течение достаточно длительного времени, чтобы могла пройти реакция спекания,
- с низкими уровнями (< 5%) пористости и количеством нерасплавленного материала (не связанных частиц) в распыляемом состоянии.
Однако на деталях большого размера термобарьер охлаждается слишком быстро, поэтому реакция спекания не может продолжаться в течение достаточного времени.
Использование плазмотрона позволяет отлично контролировать спекание.
Предпочтительно способ можно также применять в случае деталей небольшого размера.
Во время такой постобработки спекания непрерывно измеряют температуру пятна луча на поверхности слоя С керамики (С) и параметры плазмотрона регулируют в зависимости от этого измерения. В частности, основными регулируемыми параметрами являются:
- расстояние плазмотрон-деталь (связанное с температурой Т);
- скорость v перемещения плазмотрона и процент R перекрывания, при этом скорость V перемещения и процент перекрывания связаны с временем обработки при указанной температуре.
Действительно, спекание является процессом, в котором движущая сила диффузии зависит от времени и от температуры. Реализации этого спекания способствует осуществляемое управление.
Одновременно поверхность детали, противоположную слою С керамики (С), охлаждают, чтобы поддерживать ее при температуре, как правило, ниже 950°С.
Предложенную постобработку можно применять в случае слоя керамики (С), уже содержащего микротрещины в результате этапа его нанесения.
При этом постобработка позволяет улучшить его спекание.
В варианте изобретения постобработка спекания может приводить к образованию микротрещин после напыления стандартного теплового барьера (не имеющего микротрещин).
В ходе этапа постобработки поверхность слоя керамики (С) сканируют лучом таким образом, чтобы достичь температуры, составляющей от 1300°С до 1700°С, в течение нескольких секунд, как правило от пяти секунд до двух десятков секунд.
Предпочтительно предложенный способ находит свое применение в случае деталей большого размера, поскольку тепловые барьеры с микротрещинами, которыми покрывают деталь этого типа, в известных решениях являются мало удовлетворительным в плане эрозионной стойкости.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве иллюстративного и не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в разрезе детали, которая является, например, деталью, используемой для турбины, например, авиационной турбины, и покрытой адгезионным подслоем (SCA) и термобарьером.
Фиг. 2 - схема основных этапов возможного варианта осуществления изобретения.
Фиг. 3 - схематичный вид, иллюстрирующий осуществление этапа постобработки спекания, при этом применяют не показанное на этой схеме обдувание для охлаждения со стороны внутренней стенки противоположно тепловому пятну.
Фиг. 4 - схематичный вид в плане, иллюстрирующий перемещение теплового пятна по детали, покрытой тепловым барьером, в случае сканирования, применяемого на детали небольшого размера.
Примеры осуществления изобретения
Как показано на фиг. 2, возможный пример осуществления изобретения включает в себя следующие различные этапы:
- подготовка поверхности защищаемой детали Р посредством пескоструйной обработки (этап 1);
- выполнение слоя сцепления (SCA) путем напыления APS на поверхность (этап 2);
- выполнение изолирующего и огнеупорного слоя С керамики (С) YSL тоже путем напыления APS (этап 3);
- постобработка путем спекания керамики (С) с целью повышения ее эрозионной стойкости (этап 4).
Детали большого размера
Предназначенная для нанесения покрытия деталь Р является деталью большого размера, например, стенкой камеры сгорания.
Такая стенка камеры сгорания может представлять собой металлическую деталь 5 (фиг. 3) слегка усеченной конусной формы, у которой диаметры на двух концах составляют около 600 и 800 мм и высота которой составляет, например, 800 мм.
Эту деталь выполняют из сверхпрочного сплава на основе никеля или кобальта. Она имеет толщину, например, 1-2 мм.
Для осуществления этапов 1-4 деталь 5 помещают на вращающийся стол 6 в распылительной камере 7.
В соответствии с обычными способами плазмотрон 8 обеспечивает нанесение подслоя сцепления (SCA) (этап 2), затем нанесение на него слоя С керамики (С) (этап 3).
В частности, нанесение слоя С керамики (С) можно осуществлять в условиях, обеспечивающих первоначальное образование микротрещин при распылении (см. уже упомянутый документ FR 2854166).
Его можно также производить в стандартных условиях без образования микротрещин.
Затем осуществляют постобработку на этапе 4, чтобы:
- в первом случае улучшить спекание теплового барьера ВТ;
- во втором случае получить микротрещины в слое С керамики (С) и в термобарьере БТ.
Следует отметить, что для улучшения трещинообразования во время постобработки на этапе 4 для напыления используют мелкий порошок с ограниченными параметрами гранулометрического состава.
Преимуществом мелкого порошка ограниченного гранулометрического состава (порошок типа “расплавленный и дробленый” в обычно используемой англо-саксонской терминологии (расплавление в электродуговых печах с последующим охлаждением и измельчением) с гранулометрическим размером от 10 до 60 мкм) является его более однородное расплавление.
Он обеспечивает незначительную пористость для слоя керамики (С) (<5%).
Он позволяет легче добиться полного отсутствия нерасплавленного материала.
Он обеспечивает также реакцию спекания и образование микротрещин.
Можно использовать, например, порошок Ampérit 831 компании HC Stark.
Кроме того, порошок для напыления выбирают таким образом, чтобы в стандартных условиях распыления (применяемых для покрытия без микротрещин) получаемое при помощи этого порошка покрытие С отличалось сцеплением на менее 25 МПа на подслое сцепления (SCA), что облегчает образование поперечных микротрещин.
Значительные силы сцепления между слоем С и подслоем SCA способствуют образованию микротрещин в большей мере в толщине покрытия, чем вдоль границы раздела подслой/слой.
Использование мелкого порошка ограниченного гранулометрического состава, обеспечивающего сцепление покрытия не менее 25 МПа, способствует во время тепловой обработки после напыления, которая будет описана ниже (этап 4), образованию микротрещин в тепловом барьере ВТ только в его поперечном направлении и из расчета не менее 20 микротрещин / 20 мм.
Этот этап 4 постобработки осуществляют следующим образом:
Деталь 5 освобождают от всех ее трафаретов и защиты, которые становятся бесполезными, так как больше на деталь 5 не будут напылять покрытие.
Ее не снимают с вращающегося стола 6 распылительной камеры, если только это не связано с требованиями логистики.
Запускают плазмотрон 8 и деталь сканируют при помощи этого плазмотрона до приведения во вращение стола, чтобы нагреть несколько точек термобарьера ВТ до 1400-1450°С.
Предварительно откалиброванный и позиционированный пирометр 9 обеспечивает измерение в реальном времени температуры в точке падения луча плазмотрона 8. Этот пирометр 9 установлен на роботе в распылительной камере 7 внутри детали 5.
Он нацелен на точку падения пятна S плазмотрона 8 на покрытой детали 5.
2,
2
3
Его выбирают таким образом, чтобы обеспечивать измерения температуры от 1200 до 1700°С. В случае, когда керамика (С) является слоем керамики типа двуокиси циркония ZrOстабилизированной оксидом иттрия YO, YSZ, пирометр выбирают таким образом, чтобы он работал при значении выше 8 мкм, предпочтительно от 11 до 13,6 мкм, например, при 12.6 мкм (длина волны Кристиансена).
Действительно, при этих значениях:
2,
2
3
- слой керамики типа двуокиси циркония ZrOстабилизированной оксидом иттрия YO, характеризуется нулевым коэффициентом пропускания (отсутствие паразитных измерений);
- его светимость практически не зависит от температуры (нет необходимости в коррекции);
- его излучательная способность составляет около 1, что обеспечивает прямое считывание температуры в нормальных условиях абсолютно черного тела.
Следует отметить, что температура на поверхности керамики (С) зависит от:
- скорости вращения детали
- расстояния между плазмотроном и покрытой поверхностью
- процента перекрывания.
Параметры, связанные с инициированием плазмы на выходе плазмотрона (расход плазмообразующего газа, напряжение и сила тока и т.д.), после достижения стабильности плазмы поддерживаются независимо относительно времени.
Таким образом, управление температурой на поверхности слоя С керамики (С) позволяет контролировать кинетику спекания.
Когда стол 6 приводят в движение, плазмотрон 8 перемещают вертикальным сканирующим движением, которое сочетается с перемещением-вращением стола, что позволяет пятну S, которое плазмотрон излучает на термобарьер, обеспечивать спиралевидное сканирование.
Параметры плазмы регулируют таким образом, чтобы температура поверхности, измеряемая пирометром, находилась в температурном диапазоне 1400-1600°С (оптимальная температура спекания).
Как правило, деталь полностью обрабатывают примерно за 35 минут.
Плазмотрон 8 является, например, моделью F4, оснащенной соплом 6 мм или соплом 8 мм, производящим более широкое тепловое пятно.
Скорость вращения стола 6 составляет, например, 1 м/мин, тогда как шаг спирали, описываемой на тепловом барьере, составляет 12 мм.
Расстояние между выходом сопла плазмотрона и поверхностью детали колеблется от 40 до 70 мм в зависимости от диаметра указанного сопла и от параметров мощности плазмотрона.
Разумеется, возможны и другие комбинации параметров.
Вместе с тем, следует отметить, что температура поверхности должна быть не менее 1300°С (предпочтительно от 1400°С до 1450°С) и должна достигаться меньше чем за 5-10 секунд (экстраполяция при нулевой скорости), чтобы теплопередача происходила не в детали, а в покрытии спекания. Кроме того, во время этапа постобработки поверхность слоя керамики (С) сканируют лучом таким образом, чтобы достигать температуры, составляющей от 1300°С до 1700°С за несколько секунд, как правило, от пяти секунд и до двух десятков секунд, чтобы запустить реакцию уплотнения.
Кроме того, необходимо, чтобы температура на противоположной стороне, то есть со стороны металла, не превышала 950°С, предпочтительно 900°С (и, возможно, 1000°С на пике), чтобы не повредить подслой из-за окисления.
В частности, чтобы избежать нагрева металлической части детали, ее охлаждают в течение всей обработки на этапе 4. Для этого используют мощные множественные воздушные струи. Их можно направлять одновременно со стороны металла и со стороны керамики (С). Разумеется, со стороны керамики (С) поток не направляют вблизи пятна, и воздушные струи удаляют от него по меньшей мере на +/- 100 мм.
Такое охлаждение позволяет:
- быстрее стабилизировать общую температуру детали с самого начала обработки,
- избегать перегрева, который может повредить металлические части детали.
Температуру со стороны, противоположной термобарьеру, то есть со стороны металла, измеряют непрерывно либо по тепловым пятнам цветов побежалости, либо при помощи пирометра, либо при помощи термопар.
Параметры плазмотрона и охлаждающего обдува регулируют таким образом, чтобы поддерживать эту температуру на необходимом уровне.
Детали небольшого размера
Обработку спеканием на этапе 4 можно также применять для образования микротрещин в покрытии термобарьера ВТ деталей небольшого размера, например, таких как сопло керосиновой форсунки.
Во время обычного нанесения теплового барьера в детали этого типа происходит повышение температуры. Эта температура является достаточно высокой, чтобы спекание керамики (С) (сначала в предварительно спеченном виде) можно было поддерживать за счет применения постобработки путем спекания (этап 4).
Как и в случае деталей большого размера, для получения слоя С при напылении используют мелкий порошок ограниченного гранулометрического состава, обеспечивающий указанному слою С сцепление более 25 МПа относительно подслоя сцепления (SCA) и одновременно пористость менее 5% и отсутствие нерасплавленного материала.
Постобработка спеканием слоя С керамики (С) (этап 4) и управление температурой при этой постобработке аналогичны тому, что было описано для стенки камеры сгорания.
В частности, можно использовать пирометр такого же типа.
Однако, поскольку обрабатываемая детали имеет другую геометрию, нагревом управляют посредством линейного сканирования пятном плазмотрона 8 по высоте обрабатываемой детали.
На фиг. 4 представлен пример сканирования. Скорость сканирования равна 1 м/мин, тогда как шаг равен 12 мм. Перекрывание теплового пятна от одного прохода к другому составляет не менее 10%.