АРМИРОВАННОЕ ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к лопаткам энергетических и транспортных турбин, и, в особенности, газовых турбин авиадвигателей с теплозащитными покрытиями.
Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: двигатели самолетов и вертолетов, судовые газотурбинные двигатели, энергетические ГТУ и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, являются рабочие лопатки турбины. Турбинные лопатки работают в достаточно жестких условиях: высокие температуры, агрессивные среды (кислород, сера, окислы ванадия и другие элементы), значительные знакопеременные механические нагрузки и резкие теплосмены. Существующие тенденции совершенствования турбомашин приводят к еще большему к ужесточению указанных условий эксплуатации и к повышению стоимости деталей. Все это требует применения на лопатках турбин более эффективных защитных покрытий.
Одним из путей повышения температуры в турбине при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП). Керамические ТЗП, при их достаточной толщине, могут ощутимо снизить теплоприток к основному материалу охлаждаемой лопатки и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.
2
2
3
Наиболее перспективным материалом для формирования теплозащитного слоя ТЗП является керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO·YO). Для обеспечения адгезии керамического слоя и защиты основного материала детали от окисления, ТЗП имеет жаростойкий подслой.
Известно с теплозащитное покрытие для лопатки турбины [Патент РФ №2325467, МПК С23С 4/10. Способ получения создающего термический барьер покрытия. / Я.Вигрен, М.Ханссон. / Вольво аэро корп. /. 2008.] содержащее связующий подслой, нанесенный на предварительно обработанную поверхность лопатки, нанесенный на него жаростойкий слой системы MeCrAlY и внешний теплозащитный керамический слой на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
Известно также теплозащитное покрытие для деталей газовых турбин (Патент США №4,904,542 "Многослойное коррозионно-стойкое покрытие"), содержащее многослойное газотермическое покрытие состоящего из чередующихся керамических и металлических слоев. Так же известно многослойное высокотемпературное покрытие, состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящие в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. Материал металлических слоев выбирается исходя из характеристик его стойкости к эрозии. Это ведет к тому что при наличии перепадов температуры как по толщине, так и по его поверхности в материале металлического слоя возникнут термические напряжения, которые будут переданы керамике, имеющей низкую прочность на растяжение.
2
2
3
Известно также теплозащитного покрытие, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, включающее, сформированный на подготовленной поверхности лопатки подслой, полученный путем нанесения жаростойкого слоя и переходного слоя и нанесенный на переходный слой внешний керамический слой на основе ZrO стабилизированный YO (патент РФ №2078148).
2
2
3
Известеное теплозащитное покрытие содержит слой жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе, нанесенный методом вакуумно-плазменной технологии, второй слой из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, подвергнутые вакуумному отжигу, третий, керамический слой из диоксида циркония стабилизированного 7-9 мас.%, оксида иттрия (ZrO·7% YO) и подвергнутый последующему дополнительному вакуумному диффузионному и окислительному отжигу.
Наиболее близким по технической сущности является армированное теплозащитное покрытие, преимущественно для деталей турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащее подслой, нанесенный на поверхность основного материала детали и сформированный на подслое армированный керамический слой. (А.Хасуй. Техника напыления. М.машиностроение 1975. Патент США №6610420 // МПК В32В 015/04; F03B 003/12 // Thermal Barrier coating system of a turbine engine component / 2003).
Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость подслоя и недостаточно высокие эксплуатационные свойства керамического слоя, сложность получения армирующей составляющей в керамическом слое и как следствие этого - высокая трудоемкость процесса формирования покрытия, а также недостаточная выносливость и циклическая прочность деталей с покрытием, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей и установок.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение эксплуатационных свойств теплозащитного покрытия, снижение трудоемкости, при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.
Технический результат достигается тем, что армированное теплозащитное покрытие, преимущественно для деталей турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащее подслой, нанесенный на поверхность основного материала детали и сформированный на подслое армированный керамический слой, в отличие от прототипа, армированный керамический слой сформирован поэтапно, в следующей последовательности:
- нанесен дискретный слой керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя;
- на керамический дискретный слой и открытые участки подслоя нанесен, по крайней мере, один дискретный металлический слой в виде полос или сетки площадью от 4% до 98% от общей поверхности формируемого покрытия и толщиной от 0,8 мкм до 5 мкм;
- нанесен внешний сплошной керамический слой.
Технический результат достигается тем, что в армированном теплозащитном покрытии перед нанесением подслоя проведена ионно-плазменная подготовка и ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Ag, Pd или их сочетанием.
Технический результат достигается тем, что в армированном теплозащитном покрытии в качестве материала подслоя использован жаростойкий сплав, а в качестве жаростойкого сплава использован один из сплавов состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, или Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Аl - остальное.
Технический результат достигается тем, что в армированном теплозащитном покрытии жаростойкий слой нанесен при чередовании с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Ag, Pd или их сочетанием, обеспечивающей, при имплантации образование микро- или нано-слоя разделяющего, жаростойкий слой на микро-слои, а перед нанесением подслоя на поверхность лопатки дополнительно нанесены слои из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, а толщина жаростойкого слоя составляет от 5 мкм до 60 мкм при количестве микрослоев в жаростойком слое от 3 до 1000.
2
2
3
2
3
2
Технический результат достигается также тем, что в армированном теплозащитном покрытии при формировании подслоя, перед нанесением дискретного слоя керамического материала, дополнительно нанесен переходный слой в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, Ag, Pd либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, Ag, Pd либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, Ag, Pd причем толщина переходного слоя составляет от 1 мкм до 10 мкм, а в качестве материала дискретного слоя керамического материала и внешнего керамического слоя использован ZrO-YO в соотношении YO - 5…9% вес, ZrO - остальное, причем толщина армированного керамического слоя составляет от 20 мкм до 350 мкм, а в качестве материала дискретного металлического слоя использован один из металлов Nb, Pt, Hf, Cr, либо их сочетание, либо сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, либо их сочетание.
Технический результат достигается также тем, что в армированном теплозащитном покрытии нанесение слоев армированного теплозащитного покрытия осуществлено газо-термическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме, а после нанесения покрытия проведен его диффузионный отжиг.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в армированном теплозащитном покрытии ионная имплантация проведена при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, а перед ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки проведена упрочняющая обработка микро-шариками, а в качестве ионно-плазменной подготовки поверхности применена ионная очистка.
Для оценки стойкости лопаток газовых турбин, с предлагаемыми теплозащитными покрытиями, были проведены следующие испытания. Режимы и условия нанесения покрытий на образцы из никелевых и кобальтовых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000) приведены в таблице 1.
Табл.1
№ Группы образцов
Ионы, имплантируемые в основу
Ионы, имплантируемые в покрытие
Подслой
Дискретный металлический слой
Дополнительный слой на поверхности лопатки
Дополнительный слой на внутреннем слое
1
2
3
4
5
6
7
(Прот)
-
-
Со - 20%
Металл.
-
-
Cr - 30%
сетка из
Al - 13%
Сплава
Y - 0,6%
NiCrAlY
Ni- ост.
1
Nb
Y+Pt
Cr - 18%
Nb, толщ.
Nb,
Nb, толщ.
2
Yb
Y+Cr
Al - 5%
1 мкм
толщ.
0,1 мкм
3
Yb+Nb
Y+Cr
Y - 0,2%
0,1 мкм
Pt, толщ.
4
Pt
Nb
Ni - ост.
0,1 мкм
5
Y
Nb
Cr - 30%,
Nb+Pt,
Nb+Pt,
Nb, толщ.
6
Y+Pt
Yb
Al - 13%,
толщ. 2,0
толщ.
2,0 мкм
Y - 0,65%,
мкм.
0,5 мкм
7
Y+Cr
Yb
Ni -ост.
Nb,
Cr, толщ.
8
Y+Cr
Pt
толщ.
0,1 мкм
2,0 мкм
9
Hf+Nb
Y
Cr - 22%
Nb+Cr, толщ. 2,0
Pt, толщ. 0,1 мкм
Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
10
La+Nb+Y
Cr+Si
Al - 11%,
Y - 0,5%,
мкм
11
Yb+Nb
Yb+Nb
Ni - ост.
Cr, толщ. 0,1 мкм
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
12
Si+Cr
Hf+Nb
13
Y
Y
Cr - 24%
Cr - 22% Al- 11%,
Pt+Cr, толщ.
Pt, толщ. 2,0 мкм
14
Pt
Nb
Al - 8%,
Y - 0,4%
Y - 0,5%, Ni - ост.
2,0 мкм
15
Cr+Si
Pt
Ni - ост.
Pt, толщ. 2,0 мкм
Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
16
Nb
Cr+Si
17
La
Hf
Cr - 26%
Cr, толщ. 2,0 мкм.
Cr, толщ.
Pt, толщ. 0,1 мкм
18
La
La
Al - 10%,
Y - 0,3%,
2,0 мкм
19
Yb+Nb
Yb
Ni - ост.
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 2,0 мкм
20
Yb
Yb
21
Ag
Hf
Cr - 26%
Cr, толщ. 2,0 мкм.
Ag, толщ.
Pd, толщ. 0,1 мкм
22
Pd
Ag
Al - 10%,
Y - 0,3%,
2,0 мкм
23
Yb+Pd
Yb
Ni - ост.
Ag+Pd, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 2,0 мкм
24
Yb
Ag
2
2
3
2
3
2
Дискретный слой керамического материала в виде наносился в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя. При этом, для охвата всего диапазона указанных площадей использовались экраны с изменением площади экранирования по протяженности от 0% до 100%. Это позволило сформировать и исследовать армированное керамическое покрытие в диапазоне площадей островковых керамических участков от 0% (полное экранирование при нанесении керамики) до 100% нанесение керамики сплошным слоем. Подобным же образом на керамический дискретный слой и открытые участки подслоя наносили дискретный металлический слой в виде полос и сетки, охватывая диапазон от 0% до 100%. При этом, для получения полос армирующей фазы покрытия использовали экран с протяженными прорезями, а для получения сетки наносили дважды через экран с прорезями, разворачивая его относительно предыдущего его положения для пересечения с предыдущими полосами. Испытания на термоциклирование, имитирующее условие эксплуатации ГТД показало, что наиболее оптимальной конструкцией покрытия является покрытие, сформированное при площади островковых участков дискретного керамического слоя от 2% до 96 (или от 4% до 98% открытых, междуостровковых участков) от общей поверхности формируемого покрытия, с дискретным металлическим слоем в виде полос или сетки площадью от 4% до 98% от общей поверхности формируемого покрытия и толщиной от 0,8 мкм до 5 мкм. В качестве дискретного слоя керамического материала и внешнего керамического слоя используют ZrO-YO в соотношении YО - 5…9% вес, ZrO - остальное. Толщина армированного керамического слоя составляла от 20 мкм до 350 мкм. В качестве материалов дискретного металлического слоя, были исследованы вариации в виде одного из металлов Nb, Pt, Hf, Cr и их сочетания, а также варианты сплавов состава: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, и составов: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, и их сочетания, которые показали на возможность их применения для получения армирующей фазы.
10
20
2
2
2
3
2
3
2
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием) при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, (диффузионный отжиг в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч). Материал слоев и схема их чередования - согласно таблицы 1. Толщины слоев составляли: по способу-прототипу внутренний слой - толщиной 40 мкм и 80 мкм, внешний слой - 80 мкм и 40 мкм. При формировании по предлагаемому способу толщина внутреннего жаростойкого слоя составляла от 2 мкм до 10 мкм, а количество микро- или нанослоев в жаростойком слое составлял от 3 до 200; толщина внешнего жаростойкого слоя составляла от 10 мкм до 60 мкм, а количество микро- или нанослоев - от 3 до 1000. В качестве дискретного слоя керамического материала и внешнего керамического слоя использовались ZrO-YO в соотношении YO - 5…9% вес, ZrO - остальное. При этом толщина армированного керамического слоя составляла от 20 мкм до 350 мкм.
-1
Проведенные испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У,ЭИ-893, U-5000 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. Результаты испытаний показали следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток составляет:
1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 220-235 МПа;
2) по предлагаемому способу никелевые сплавы в среднем 260-290 МПа, кобальтовые - 250-275МПа (таблица 2);
Табл.2
№ групп образцов
Никелевые сплавы, МПа
Кобальтовые сплавы, МПа
1
2
3
1
255-280
235-250
2
260-285
245-260
3
260-285
245-265
4
265-300
240-260
5
280-290
250-275
6
275-285
240-265
7
260-280
250-270
8
270-285
245-265
9
275-290
240-250
10
275-285
250-280
11
270-290
245-275
12
280-300
245-270
13
275-295
250-275
14
270-290
250-265
15
265-285
250-270
16
275-290
240-270
17
275-295
250-275
18
270-280
245-270
19
265-285
250-275
20
270-285
240-250
21
270-290
245-270
22
275-285
245-270
23
260-280
240-250
24
270-285
250-260
2
Изотермическая жаростойкость покрытий оценивалась на образцах диаметром d=10 мм и длиной 1=30 мм. Образцы покрытиями помещались в тигли и выдерживались на воздухе при температуре Т=1200°С. Жаростойкость покрытий оценивалась по характерному времени (τ) до появления первых очагов газовой коррозии или других дефектов, которые определялось путем визуального осмотра через каждые 50 часов испытаний при температуре 1200°С. Взвешивание образцов вместе с окалиной производилось через 500 и 1000 ч испытаний, при этом определялась величина удельного прироста массы образца на единицу его поверхности по сравнению с исходным весом ΔР, г/м.
Стойкость покрытий к теплосменам оценивалось по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл теплосмены представлял собой нагрев образца до 1150°С, температурную выдержку в течение 15 мин и охлаждение в воде до температуры 20°С. После каждого цикла теплосмены по наличию отслоений оценивалось стойкость покрытия. Данные по сравнительным испытаниям на термостойкость показали, что в среднем количество теплосмен до полного разрушения у покрытия-прототипа составило 14 циклов, а у покрытий, нанесенных по предлагаемому способу - от 32 до 47 циклов.
Повышение стойкости к теплосменам, жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями, указывает на то, что наличие следующих существенных признаков заявляемого технического решения «армированное теплозащитное покрытие: нанесенный подслой и сформированный на подслое армированный керамический слой, при формировании армированного керамического слоя поэтапно, в следующей последовательности:
- нанесении дискретного слоя керамического материала в виде островковых участков на поверхности подслоя, оставляя открытыми от 4% до 98% от общей поверхности подслоя;
- нанесении на керамический дискретный слой и открытые участки подслоя, по крайней мере, одного дискретного металлического слоев виде полос или сетки площадью от 4% до 98% от общей поверхности формируемого покрытия и толщиной от 0,8 мкм до 5 мкм;
- нанесении внешнего сплошного керамического слоя.
2
2
3
2
3
2
2
А также, наличие следующих признаков покрытия: проведенная перед нанесением подслоя ионно-плазменная подготовка и ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием; использование жаростойкого сплава в качестве материала подслоя; использование в качестве жаростойкого сплава сплав состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni -остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное или использование в качестве жаростойкого сплава сплав состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Аl - остальное; чередование нанесения жаростойкого слоя с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si, Ag, Pd или их сочетанием которую проводят до образования микро- или нанослоя разделяющего жаростойкий слой на микрослои; дополнительно нанесение перед нанесением подслоя на поверхность лопатки слоя из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; обеспечение толщины жаростойкого слоя от 5 мкм до 60 мкм; обеспечение количества микрослоев в жаростойком слое от 3 до 1000; нанесение при формировании подслоя, перед нанесением дискретного слоя керамического материала, дополнительно переходного слоя в виде слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, Ag, Pd либо в виде сочетания слоев из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, либо в виде сплавов из Nb, Pt, Hf, Cr, Si, при обеспечении толщины переходного слоя от 1 мкм до 10 мкм; использование в качестве материала дискретного слоя керамического материала и внешнего керамического слоя ZrO-YO в соотношении YO - 5…9% вес, ZrO - остальное, причем толщина армированного керамического слоя составляет от 20 мкм до 350 мкм; нанесение дискретного слоя керамического материала толщиной от 18 до 340 мкм, но не более 97% от общей толщины армированного керамического слоя, толщина армированного керамического слоя составляет от 20 мкм до 350 мкм, а в качестве материала дискретного металлического слоя используют один из металлов Nb, Pt, Hf, Cr, либо их сочетание, либо сплав состава: Cr - от 18% до 34%; А1 - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или состава: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, либо их сочетание; нанесение слоев армированного теплозащитного покрытия осуществляют газо-термическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; проведенный после нанесения покрытия диффузионный отжиг, проведенная ионная имплантация при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см; проведение перед ионно-имплантационной обработкой поверхности лопатки упрочняющей обработки микро-шариками, а в качестве ионно-плазменной подготовки поверхности использование ионной очистки - позволяют достичь технического результата заявляемого технического решения - повышение эксплуатационных свойств теплозащитного покрытия, снижение трудоемкости, при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.