ЛОПАТКА ТУРБИНЫ С ТЕПЛОЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

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.
Известна лопатка турбины с теплозащитным покрытием [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.
Известна также лопатка турбины с теплозащитным покрытием (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.
Известна также деталь с многослойным покрытием нанесенным на поверхность, подвергнутую ионно-имплантационной модификации [Патент РФ №2228387. МПК С23С 14/06. Способ нанесения многослойного покрытия на металлические изделия. Опубл. 2004 г.]. Однако функциональным назначением ионно-имплантационной обработки поверхности в данном случае не является повышение жаростойкости слоя.
Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость подслоя, 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.
2
2
3
2
2
3
Наиболее близким по технической сущности является лопатка турбины с теплозащитным покрытием для газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащая поверхностный слой основного материала лопатки, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенное на него покрытие, состоящее из подслоя, сформированного путем нанесения жаростойкого и переходного слоев и внешнего керамического слоя на основе ZrO стабилизированного YO, нанесенного на переходный слой (патент РФ №2078148). Известная лопатка с теплозащитным покрытием включает также поверхность лопатки с предварительной абразивно-жидкостной обработкой и обработкой шлифпорошком. Покрытие содержит также слой из жаростойкого сплава на никелевой основе, полученный методом вакуумно-плазменной технологии, вторй слой из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%. Покрытие подвергнуто вакуумному отжигу, а также проведена подготовка поверхности перед нанесением третьего керамического слоя, состоящего из диоксида циркония стабилизированного 7-9 мас.%, оксида иттрия (ZrO·7% YO). Кроме того, после нанесения слоев, лопатка подвергнута дополнительному вакуумному диффузионному и окислительному отжигам.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение жаростойкости подслоя при одновременном повышении выносливости и циклической прочности лопатки с защитным покрытием.
2
2
3
Технический результат достигается тем, что в лопатке турбины с теплозащитным покрытием для газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащей поверхностный слой основного материала лопатки, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенное на него покрытие, состоящее из подслоя, сформированного путем нанесения жаростойкого и переходного слоев и внешнего керамического слоя на основе ZrO стабилизированного YO, нанесенного на переходный слой в отличие от прототипа содержит поверхностный слой основного материала лопатки, модифицированный ионной имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, жаростойкий слой из сплава состава: Si - от 4,0% до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, состоящий из нанослоев и микрослоев, причем нанослои получены периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием при нанесении жаростойкого слоя, а микрослои, образованны в результате разделения жаростойкого слоя нанослоями, а переходный слой состоит из сплава состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное или состава: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Co - от 16% до 30%; Ni - остальное.
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбины с теплозащитным покрытием, покрытие дополнительно, под жаростойким слоем содержит слой, состоящий из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм.
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбины с теплозащитным покрытием, покрытие может быть выполнено по следующим вариантам: толщина жаростойкого слоя составляет от 5 мкм до 60 мкм, а количество микрослоев в жаростойком слое составляет от 3 до 1000; толщина переходного слоя составляет от 1 мкм до 10 мкм; покрытие дополнительно, под керамическим слоем содержит слой, состоящий из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм; толщина керамического слоя составляет от 80 мкм до 300 мкм.
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбины с теплозащитным покрытием, слои подслоя покрытия нанесены шликерным и/или газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме, а керамического слоя нанесены газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.
2
2
3
2
3
2
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбины с теплозащитным покрытием в качестве материала керамического слоя использована ZrO-YO в соотношении YO - 5…9% вес, ZrO - остальное, а покрытие после его нанесения подвергнуто диффузионному отжигу.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбины с теплозащитным покрытием поверхностный слой основного материала лопатки модифицирован ионной имплантацией при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, а перед ионноимплантационной обработкой поверхности лопатки упрочнен обработкой микрошариками.
Была проведена сравнительная оценка стойкости лопатки-прототипа и предлагаемой лопатки с теплозащитными покрытиями. 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
Внутренний слой
Внешний слой
Дополнительный слой на поверхности лопатки
Дополнительный слой на внутреннем слое
1
2
3
4
5
6
7
(Прот)
-
-
Co - 20%
Si - 12%
-
-
Cr - 30%
Ni - 10%
Al - 13%
B - 1,6%
Y - 0,6%
Al - ост.
Ni - ост.
1
Nb
Y+Pt
Cr - 18%
Si- 4,0%
Nb,
Nb, толщ.
2
Yb
Y+Cr
Al - 5%
Y - 1,0%
толщ.
0,1 мкм
3
Yb+Nb
Y+Cr
Y - 0,2% Ni - ост.
Al - ост.
0,1 мкм
Pt, толщ. 0,1 мкм
4
Pt
Nb
5
Y
Nb
Cr - 30%, Al - 13%, Y - 0,65%, Ni - ост.
Si - 12,0% Y - 2,0% Al - ост.
Nb+Pt, толщ. 0,5 мкм
Nb, толщ. 2,0 мкм
6
Y+Pt
Yb
7
Y+Cr
Yb
Nb, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 0,1 мкм
8
Y+Cr
Pt
9
Hf+Nb
Y
Сr - 22% Al - 11%, Y - 0,5%, Ni - ост.
Si - 6,0% Y - 1,5% Al - ост.
Pt, толщ. 0,1 мкм
Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
10
La+Nb+Y
Cr+Si
11
Yb+Nb
Yb+Nb
Cr, толщ. 0,1 мкм
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
12
Si+Cr
Hf+Nb
13
Y
Y
Сr - 24% Al - 8%, Y -0,4%
Si - 8,0% Y - 1,0% Al - ост.
Pt+Cr, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 2,0 мкм
14
Pt
Nb
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% Al - 10%, Y - 0,3%, Ni - ост.
Si - 10% Al - ост.
Cr, толщ. 2,0 мкм
Pt, толщ. 0,1 мкм
18
La
La
19
Yb+Nb
Yb
Y - 2,0%
Nb+Cr, толщ. 2,0 мкм
Cr, толщ. 2,0 мкм
20
Yb
Yb
10
20
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 400С в течение 1 ч). Материал слоев и схема их чередования - согласно таблицы 1. Толщины слоев по прототипу составляли: внутренний слой - толщиной 40 мкм и 80 мкм, внешний слой - 80 мкм и 40 мкм. В предлагаемой лопатке: 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.
-1
Были также проведены 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. В результате проведенных испытаний было установлено следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток составляет:
1) прототип: никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 220-235 МПа;
2) предлагаемая лопатка: никелевые сплавы в среднем 260-290 МПа, кобальтовые - 250-275 МПа (таблица 2);
Табл.2
№ группы образцов
Никелевые сплавы, МПа
Кобальтовые сплавы, МПа
1
2
3
1
260-285
240-255
2
265-290
250-265
3
265-290
250-270
4
270-300
240-265
5
280-295
250-275
6
275-290
245-270
7
260-290
250-275
8
270-300
250-265
9
280-295
240-250
10
275-290
250-280
11
275-290
245-275
12
280-300
245-270
13
270-295
250-275
14
275-290
250-265
15
265-290
250-270
16
280-300
240-275
17
280-295
250-275
18
270-280
245-270
19
265-280
250-275
20
280-300
240-255
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 ΔP, г/м. Полученные результаты представлены в таблице 3.
Табл.3
№ группы образцов
Циклическая жаростойкость, цикл.
Изотермическая жаростойкость,
τ, ч
ΔP, г/м<sup>2</sup>
500 ч
1000 ч
1
2
3
4
5
0
550
350
7,4
13,1
1
750
650
6,1
10,4
2
700
600
5,8
9,8
3
800
700
6,3
10,1
4
900
750
4,4
8,8
5
850
700
5,9
9,1
6
900
850
3,6
7,9
7
950
850
3,4
7,8
8
700
600
6,2
9,9
9
900
850
4,1
8,7
10
800
700
5,7
10,2
11
900
800
4,5
8,8
12
750
650
5,6
9,7
13
750
600
5,8
10,1
14
900
800
4,3
9,9
15
850
750
4,9
9,4
16
900
850
4,4
8,8
17
800
700
5,1
8,9
18
800
650
5,4
8,7
19
850
700
5,3
9,3
20
800
700
5,7
9,9
Стойкость покрытий к теплосменам оценивалось по количеству циклов, которые выдерживали покрытия до разрушения керамического слоя. Цикл термосмены 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 разрушения у прототипа составило 36 циклов, а у покрытий на предлагаемой лопатке - от 47 до 85 циклов.
10
20
2
Повышение жаростойкости покрытий и предела выносливости лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов с покрытиями (таблицы 2 и 3), указывает на то, что при применении следующих вариантов нанесения жаростойкого покрытия на лопатки турбин газотурбинных двигателей и энергетических установок: ионно-плазменная подготовка поверхности лопатки под нанесение покрытия; ионно-имплантационная обработка поверхности лопатки ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием; формирование внутреннего жаростойкого слоя состава: Cr - 18% до 30%, Al - 5% до 13%, Y - от 0,2% до 0,65%, Ni - остальное; нанесение на него внешнего жаростойкого слоя сплав состава: Cr - 18% до 30%, Al - 5% до 13%, Y - от 0,2% до 0,65%, Ni - остальное, при чередовании нанесения указанного сплава с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетаний, проведения чередования нанесения материала покрытия и имплантационной обработки до образования при каждом чередовании нанесения и имплантации микро- или нанослоя разделяющего внешний жаростойкий слой на микрослои; чередование нанесения внутреннего жаростойкого слоя с периодической имплантацией ионами Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si или их сочетанием, которую проводят до образования микро- или нанослоя, каждый из которых разделяет жаростойкий слой на микро- или нанослои; дополнительно нанесение слоя из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм перед нанесением внутреннего жаростойкого слоя на поверхность лопатки; нанесение внутреннего жаростойкого слоя толщиной от 2 мкм до 10 мкм при количестве микро- или нанослоев во внутреннем жаростойком слое от 3 до 200; нанесение внешнего жаростойкого слоя толщиной от 10 мкм до 60 мкм при количестве микро- или нанослоев во внешнем жаростойком слое от 3 до 1000; нанесение переходного слоя из Nb, Pt, Cr или их сочетания толщиной от 0,1 мкм до 2,0 мкм, перед нанесением внешнего жаростойкого слоя на поверхность внутреннего жаростойкого слоя; осуществление нанесения слоев покрытия шликерным и/или газотермическим и/или вакуумными ионно-плазменными методами и/или магнетронными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; проведение ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 кэВ до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см как при обработке поверхности основного материала детали, так и при формировании внешнего жаростойкого и внутреннего жаростойкого слоев покрытия; проведение диффузионного отжига после нанесения покрытия - позволяют достичь технического результата заявляемой полезной модели - повышения жаростойкости подслоя при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.