ДЕТАЛЬ С НАНЕСЁННЫМ ТЕПЛОВЫМ БАРЬЕРОМ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЁ ПОЛУЧЕНИЯ
PART WITH APPLIED THERMAL BARRIER FOR GAS TURBINE ENGINE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области нанесения тепловых барьеров для теплоизоляции деталей в высокотемпературных зонах. В частности, изобретение применимо для нанесения тепловых барьеров с целью защиты деталей авиационных газовых турбин, выполненных из суперсплавов или композитного материала с керамической матрицей.
Уровень техники
Детали на горячих участках авиационных газотурбинных двигателей, работающих в условиях пустыни или в очень загрязнённых условиях, быстро выходят из строя из-за воздействия песка и щелочных соединений, находящихся в поступающем в двигатель воздухе. Эти соединения, известные под названием алюмосиликатов кальция и магния (CМAS) (куда входят, в частности, оксиды кальция, магния, алюминия и кремния), способны разрушать покрытие, играющее роль теплового барьера и нанесённое на некоторые детали, применяемые на горячих участках газотурбинного двигателя.
Среди механизмов разрушения теплового барьера соединениями CMAS выделяют, в частности, инфильтрацию жидких соединений CMAS в тепловой барьер и растворение-повторное осаждение теплового барьера (выполненного обычно из керамики на основе двуоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ)) в отдельных конкрециях двуоксида циркония, обеднённого содержанием оксида иттрия. Эти оба механизма снижают механические свойства теплового барьера, что может привести к его растрескиванию на стадиях охлаждения двигателя. Кроме того поступление внутрь твёрдых частиц ведёт к эрозии теплового барьера, который шелушится и, следовательно, оставляет не прикрытой подстилающую подложку, что сокращает в итоге срок службы деталей.
Следовательно, отмечается необходимость в деталях с нанесённым тепловым барьером для газотурбинного двигателя, характеризующимся стойкими к CMAS свойствами и повышенным сроком службы. Также отмечается необходимость в наличии способа изготовления такой детали с пониженной себестоимостью.
Раскрытие сущности изобретения
Основной задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание детали для газотурбинного двигателя, имеющей покрытие, по меньшей мере, в виде одного первого слоя теплового барьера, содержащего керамический материал и первые, диспергированные в нём керамические волокна.
Присутствие первых керамических волокон в первом слое теплового барьера детали согласно изобретению позволяет увеличить механическую прочность теплового барьера и его стойкость к соединениям CMAS. Такие керамические волокна делают возможным упрочнение теплового барьера и снижение распространения трещин, способных образовываться одновременно при циклическом окислении барьера во время работы газотурбинного двигателя и под действием соединений CMAS. В целом керамические волокна играют роль усилителей первого слоя теплового барьера, что позволяет улучшить его механические свойства. Также керамические волокна могут обладать свойствами, обеспечивающими стойкость к действию материалов CMAS.
Согласно примеру осуществления массовое содержание первых керамических волокон в первом слое может составлять от 30 до 90%. Например, массовое содержание первых керамических волокон в первом слое может составлять от 50 до 90%, и даже от 70 до 90%. Как правило, содержание первых керамических волокон в первом керамическом слое должно быть достаточным для обеспечения функции механического упрочнения.
Согласно примеру осуществления средняя длина первых керамических волокон может быть меньше или равна 50 мкм. Под средней длиной понимается длина D50 волокон.
Согласно примеру осуществления средняя толщина первого слоя теплового барьера составляет от 100 до 200 мкм.
Согласно примеру осуществления керамическим материалом для первого слоя может служить двуоксид циркония, стабилизированный редкоземельным оксидом, например, двуоксид циркония, стабилизированный или частично стабилизированный оксидом иттрия (YSZ или 8YSZ).
2
3
Согласно примеру осуществления первые керамические волокна могут состоять из материала, выбранного из двуоксида циркония, стабилизированного редкоземельным оксидом, редкоземельных оксидов, структур пирохлора, редкоземельных цирконатов, глинозёма AlO и их смесей.
Согласно примеру осуществления первые керамические волокна могут содержать в себе материал для защиты от алюмосиликатов кальция и магния для дополнительного усиления слоя теплового барьера против соединений CMAS. Например, волокна могут содержать смесь из глинозёма и, по меньшей мере, одного редкоземельного цирконата для химического усиления первого слоя теплового барьера против соединений CMAS, в частности, в том случае, когда в нём содержится двуоксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия.
Согласно примеру осуществления первые керамические волокна могут состоять из того же материала, что и материал первого слоя теплового барьера.
-6
-1
-6
-1
Согласно примеру осуществления разница между коэффициентом теплового расширения материала первого слоя и тем же коэффициентом материала первых керамических волокон может быть меньше или равна 4×10 К, даже меньше или равна 2×10 К.
Согласно примеру осуществления деталь с покрытием может дополнительно содержать сцепляющий подслой между подложкой и первым слоем теплового барьера. В частности, в том случае, когда подложка выполнена из суперсплава (например, из суперсплава на основе железа, кобальта или никеля), то подслой может содержать простой или модифицированный алюминид (например, NiAl или NiCrAlY для подложки из суперсплава на основе никеля). В качестве варианта, если подложка состоит из композитного материала с керамической матрицей (СМС), сцепляющий подслой может содержать кремний, и, например, может быть образован кремнием или металлическим силицидом.
Согласно примеру осуществления деталь может дополнительно содержать второй керамический слой из керамического материала для защиты от алюмосиликатов кальция и магния, при этом второй слой располагается на первом слое и содержит дополнительно вторые керамические волокна, диспергированные во втором слое. Присутствие вторых керамических волокон позволяет повысить механическую прочность второго слоя и его стойкость к вредным воздействиям соединений CMAS. Кроме того второй слой позволяет закрыть поры на поверхности первого слоя и лучше защитить от инфильтрации соединений CMAS.
-6
-1
-6
-1
Согласно примеру осуществления разница между коэффициентом теплового расширения материала второго слоя и тем же коэффициентом материала вторых керамических волокон может быть меньше или равна 4×10 К, даже меньше или равна 2×10 К.
Согласно примеру осуществления первый и второй слои могут быть выполнены пористыми, причём первый слой имеет первый коэффициент пористости, второй слой – второй коэффициент пористости, который строго меньше первого коэффициента пористости.
2
3
Согласно примеру осуществления вторые керамические волокна могут состоять из материала, выбранного из двуоксида циркония, стабилизированного редкоземельным оксидом, редкоземельных оксидов, структур пирохлора, редкоземельных цирконатов, глинозёма AlO и их смесей.
Согласно примеру осуществления вторые керамические волокна могут состоять из того же материала, что и материал второго керамического слоя.
Согласно примеру осуществления массовое содержание вторых керамических волокон во втором слое может составлять от 30 до 90%. Например, массовое содержание вторых керамических волокон во втором слое может составлять от 50 до 90%, даже от 70 до 90%.
Согласно первой альтернативе изобретения первый слой содержит смесь из первого керамического материала теплового барьера и второго керамического материала для защиты от алюмосиликатов кальция и магния, причём первый и второй керамические материалы являются разными, при этом первый слой содержит первую зону, расположенную на части его толщины и имеющую первое содержание второго материала в массовых процентах, и вторую зону, расположенную на части его толщины и перекрывающую первую зону, при этом вторая зона имеет второе содержание второго материала в массовых процентах, которое строго превышает первое содержание в массовых процентах. Такое расположение обеспечивает возможность получения покрытия для теплового барьера на детали, характеризующегося перепадом свойств от первой зоны, выполняющей по существу функцию теплового барьера на подложке, ко второй зоне, обеспечивающей защиту первой зоны, в частности, от соединений CMAS. Когда второй слой, содержащий керамический материал для защиты от алюмосиликатов кальция и магния, располагается на первом слое, то перепад содержания позволяет обеспечить хорошую термомеханическую совместимость между первым и вторым слоями.
2
3
2
3
0,5
0,5
1,8
2
7
2
7
2
3
Согласно примеру осуществления керамический материал для защиты от алюмосиликатов кальция и магния может выбираться из редкоземельных оксидов, двуоксида циркония, стабилизированного редкоземельным оксидом, структур пирохлора, редкоземельных цирконатов, глинозёма AlO и их смесей. Например, керамическим материалом для защиты от соединений CMAS могут служить оксид иттрия (YO), церин CeYO, цирконат иттрия YZrO, цирконат гадолиния GdZrO, глинозём AlO, смешанный с редкоземельным цирконатом, и пр.
Согласно второй альтернативе изобретения, комбинируемой при необходимости с первой альтернативой, первый слой является пористым и содержит первый участок¸ располагающийся на части его толщины, при этом он содержит первый коэффициент пористости, второй участок располагается на части его толщины и перекрывает первый участок, причём второй участок содержит второй коэффициент пористости, который строго меньше первого коэффициента пористости. При таком расположении первый слой содержит второй участок с ограниченной пористостью для обеспечения эффективной защиты от инфильтрации соединений CMAS. Этот второй участок располагается на первом участке первого слоя с большей пористостью. Более пористый первый участок позволяет повысить стойкость теплового барьера к напряжениям, вызываемым возможной инфильтрацией соединений CMAS.
Наконец объектом изобретения является способ изготовления детали, такой, как описанная выше, при этом способ включает в себя, по меньшей мере, один этап формирования первого слоя на детали мокрым способом. Под «мокрым способом» подразумеваются, в частности, способы нанесения покрытия типа «золь-гель» окунанием-извлечением (dip-coating) или же посредством электрофореза. Согласно примеру осуществления первый слой может быть образован методом золь-гель путём окунания-извлечения или электрофорезом.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения станут понятны из описания, приводимого ниже со ссылкой на приложенные чертежи, иллюстрирующие неограничивающие примеры осуществления изобретения.
На фиг. 1 – 4 схематично показана поверхность деталей газотурбинного двигателя с нанесенным на нее покрытием согласно различным вариантам осуществления изобретения вид в разрезе;
на фиг. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая этапы способа согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 6 показана фотография, полученная посредством растрового электронного микроскопа и изображающая поверхность содержащей покрытие детали, изготовленной способом согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан увеличенный вид в разрезе на поверхность детали 10 для газотурбинного двигателя, содержащей подложку 11 с покрытием, расположенным в следующем порядке: сцепляющий подслой 12 и первый слой 13 теплового барьера. В данном примере сцепляющий слой 12 непосредственно контактирует с подложкой 11 и первым слоем 13. Здесь первый слой 13 образует наружный слой детали 10. Деталью 10 газотурбинного двигателя может служить, например, деталь, применяемая на горячем участке газотурбинного двигателя, таком, как турбина, и представлять собой, например, лопатку турбины, часть кольца турбины и пр.
Подложка 11 может содержать, например, металлический суперсплав, например, суперсплав на основе никеля, или композитный материал с керамической матрицей (СМС) Известный сам по себе сцепляющий подслой 12 позволяет обеспечить хорошее сцепление между первым покрытием 13 теплового барьера и подложкой 11. В целом такой сцепляющий подслой 12 позволяет обеспечить хорошую механическую совместимость между первым слоем 13 теплового барьера и подложкой 11 при компенсации, в частности, разности теплового расширения, которая может существовать между материалами первого слоя 13 и подложкой 11.
В том случае когда подложка 11 содержит металлический суперсплав, то сцепляющий подслой 12 может содержать, например, простой или модифицированный алюминид (например, NiCrAlY для подложки из суперсплава на основе никеля), способный частично окисляться с образованием оксидного слоя (именуемого также TGO: Thermally Grown Oxide). Если подложка 11 содержит композитный материал с керамической матрицей, то сцепляющий подслой 12 может содержать кремний или металлический силицид. В целом материал сцепляющего подслоя 12 подбирается с учётом материалов, из которых состоят подложка 11 и первый слой 13 теплового барьера.
Первый слой 13 теплового барьера может содержать, что само по себе известно, двуоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ) или частично стабилизированный оксидом иттрия (8YSZ), имеющим обычно столбчатую структуру.
-6
-1
-6
-1
Первый слой 13 теплового барьера содержит керамические волокна 14, которые в нём диспергированы. Волокна 14 могут быть образованы керамическим материалом, идентичным материалу первого слоя 13, или, в качестве варианта, отличающимся материалом. В любом случае можно следить за тем, чтобы разница между коэффициентами теплового расширения материалов волокон 14 и первого слоя 13 была меньше или равна 4×10 К, даже меньше или равна 2×10 К, с тем, чтобы улучшалась их термомеханическая совместимость.
На фиг. 2 показана другая деталь 20 газотурбинного двигателя. Аналогично описанной выше детали 10 деталь 20 имеет подложку 21 с нанесённым сцепляющим подслоем 22, на котором располагается первый слой 23 теплового барьера с содержанием первых керамических волокон 24. В этом примере первый слой 23 теплового барьера покрыт вторым керамическим слоем 25, содержащим материал для защиты от соединений CMAS. В этом примере сцепляющий подслой 22 непосредственно контактирует с подложкой 21 и первым слоем 23. Также первый слой 23 непосредственно контактирует со вторым слоем 25. Второй слой 25 образует в данном случае наружный слой детали 20.
-6
-1
-6
-1
Второй керамический слой 25 содержит, как и первый слой 23, керамические волокна 26 (вторые керамические волокна), которые в нём диспегированы. Первые 24 и вторые 26 керамические волокна могут быть идентичными или, в качестве варианта, состоять из разного керамического материала. Как и первые керамические волокна 24, вторые керамические волокна могут быть образованы тем же материалом, что и материал второго слоя 25. В качестве варианта вторые керамические волокна 26 могут быть образованы материалом, отличающимся от материала второго слоя 25, при этом следует следить, например, за тем, чтобы разница между коэффициентами теплового расширения материалов вторых волокон 26 и второго слоя 25 была меньше или равна 4×10 К, даже меньше или равна 2×10 К, с тем, чтобы можно было улучшить их термомеханическую совместимость.
На фиг. 3 показана деталь 30 газотурбинного двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения. Аналогично предыдущему примеру деталь 30 содержит подложку 31, покрытую сцепляющим подслоем 32, на котором находится первый слой 33 теплового барьера с содержанием первых керамических волокон 34. В данном примере сцепляющий подслой 32 непосредственно контактирует с подложкой 31 и первым слоем 33. Здесь первый слой 33 образует собой наружный слой детали 30.
В этом примере первый слой 33 теплового барьера содержит смесь из первого керамического материала теплового барьера и второго керамического материала для защиты от соединений CMAS, отличающегося от первого материала. Точнее первый слой 33 содержит первую зону 33а, расположенную на части его толщины со стороны подложки 31, имеющей не равное нулю первое массовое содержание второго материала. В данном случае первая зона 33а непосредственно контактирует со сцепляющим подслоем 32. Первый слой 33 содержит дополнительно вторую зону 33b, находящуюся на первой зоне 33а и контактирующую непосредственно с последней, и имеет второе содержание второго материала, строго превышающее первое содержание. Первый слой 33 теплового барьера образован в данном случае двумя последовательными зонами 33а и 33 b, расположенными друг над другом. Таким образом, первый слой 33 имеет перепад состава между первой зоной 33а и второй зоной 33b для улучшения устойчивости против соединений CMAS в тепловом барьере без ухудшения его свойств. Этот перепад состава позволяет также улучшить совместимость между первым 33 и вторым слоями в том случае, когда второй слой, содержащий материал защиты от соединений CMAS, нанесён на первый слой 33. Следует отметить, что первый слой 33 может содержать более двух зон, при этом постоянно контролируется сохранение перепада состава в первом слое 33.
На фиг. 4 показана деталь 40 газотурбинного двигателя согласно второму варианту осуществления изобретения. Аналогично предыдущему примеру деталь 40 содержит подложку 41 с нанесённым сцепляющим подслоем 42, на котором располагается первый слой 43 теплового барьера с содержанием первых керамических волокон 44. В данном примере сцепляющий подслой 42 непосредственно контактирует с подложкой 41 и первым слоем 43. Здесь первый слой 43 образует собой наружный слой детали 40.
В этом примере первый слой 43 теплового барьера выполнен пористым и содержит первый 43а и второй 43b участки, каждый из которых располагается на части толщины первого слоя 43. Первый участок 43а находится со стороны подложки 41 и непосредственно контактирует со сцепляющим подслоем 42. Второй участок 43b перекрывает первый участок 43а и находится, в этом случае, в непосредственном контакте с ним. Здесь первый участок 43а имеет не равный нулю коэффициент пористости, второй участок 43b имеет не равный нулю второй коэффициент пористости и строго меньше первого коэффициента пористости. Таким образом первый слой 43 теплового барьера имеет перепад пористости, уменьшающийся от первого участка 43а ко второму участку 43b. Такое расположение позволяет уменьшить инфильтрацию соединений CMAS на втором участке 43b, повысить стойкость к напряжениям на первом участке 43а и, в случае присутствия других слоёв на первом слое 43, улучшить термомеханическую совместимость между этими слоями.
Ниже описывается со ссылкой на блок-схему на фиг. 5 способ изготовления детали 10 с покрытием.
Сам по себе известный предварительный этап состоит прежде всего в нанесении на подложку 11 сцепляющего подслоя 12, например, плазменным напылением.
Затем на этапе Е1 формируют первый слой 13 теплового барьера на сцепляющем подслое 12 мокрым способом. Мокрые способы нанесения покрытий содержат, в частности, окунание-извлечение и электрофорез. После образования электрофорезом первого слоя 13 оптимальным является нанесение на сцепляющий подслой 12 электропроводящего слоя (например, из золота, серебра или платины). Для получения первого слоя 13 с содержанием первых керамических волокон 14 в ванне для нанесения покрытия должны содержаться во взвешенном состоянии первые керамические волокна 14, которые вместе с материалом первого слоя 13 наносятся на деталь 10.
Для получения первого слоя с контролируемой пористостью можно ввести в ванну порообразователь, который впоследствии будет выведен, например, углеродными частицами. В качестве варианта получения контролируемой пористости можно использовать в ванне порошки специальной морфологии, обеспечивающей нанесённому слою контролируемую пористость. Для получения первого слоя с перепадом состава или пористости, т.е. зон или участков с разной пористостью или составом, возможно последовательно наносить несколько покрытий, приводя в соответствие состав ванны при нанесении каждого покрытия.
Следует отметить, что может оказаться оптимальным наносить, до образования первого слоя 13 теплового барьера, подслой, заключённый в керамический материал, не содержащий керамических волокон, для улучшения сцепления между первым слоем 13 теплового барьера и сцепляющим подслоем 12. Этот подслой может наноситься также мокрым способом.
При необходимости возможно формировать на первом слое 23 теплового барьера второй керамический слой 25, содержащий материал для защиты от соединений CMAS и вторые керамические волокна 26. Этот второй слой 25 может быть также образован известным самим по себе мокрым способом.
Наконец на этапе Е2 содержащая такое покрытие деталь 10 может быть подвержена термообработке. На этом этапе формирование первого слоя 13 прекращается и, при необходимости, присутствующий порообразователь выводится для высвобождения пор в первом слое. После образования нескольких слоёв на детали возможно проводить термообработку либо после нанесения каждого отдельного слоя, либо, как вариант, после нанесения всех слоёв.
Пример
Способ применили на детали для газотурбинного двигателя, выполненной из суперсплава на основе никеля (тип АМ1) с нанесённым сцепляющим подслоем типа NiPtAl. В этом примере попытались получить первый слой теплового барьера с матрицей из двуоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, в котором были диспергированы первые керамические волокна из двуоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
Сначала известным самим по себе способом приготовили первую ванну для получения золя из двуоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), с содержанием 7,08 мл 1-пропанола, 0,88 мл ацетилацетона, 4,93 мл пропоксида циркония и 2,36 мл нитрата иттрия.
Затем приготовили вторую ванну для последующего применения при покрытии детали первым слоем теплового барьера с содержанием керамических волокон способом окунания-извлечения. Вторая ванна содержала 1-пропанол и диспергатор типа 1%-го PVP 3500, в неё добавили коммерческий порошок двуоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, имеющийся в продаже под наименованием Tosoh TZ6Y, и керамические волокна YSZ, выпущенные в продажу фирмой Zircar Zirconia. В твёрдой части второй ванны содержание порошка из YSZ составило в данном случае 40 молярных процентов (моль%). Постоянно в твёрдой части второй ванны содержание керамических волокон из YSZ составляло 60 моль%. В данном случае размер керамических волокон составлял меньше или был равен 50 мкм. Общее содержание YSZ в ванне составило порядка 40 моль%. После ультразвукового перемешивания и добавки дистиллированной воды часть содержания первой ванны перевели во вторую ванну. В заключение дополнительно перемешали приготовленную при этом вторую ванну.
Затем на деталь нанесли подслой, заключённый в золь из YSZ, для улучшения сцепления первого слоя теплового барьера из YSZ с содержанием волокон с деталью. Для этой цели методом окунания-извлечения нанесли слой посредством первой, предварительно приготовленной ванны и сушили в сушильном шкафу при 50°С в течение 5 минут.
После этого нанесли первый слой из YSZ с содержанием керамических волокон из YSZ с помощью предварительно приготовленной второй ванны. При этом способом окунания-извлечения нанесли слой, предшествующий первому слою, с использованием второй ванны и сушили в сушильном шкафу при 50°С в течение 5 минут. Эту операцию повторяли до тех пор, пока не получили требуемую толщину. Для получения толщины от 150 до 200 мкм необходимо произвести, как правило, по меньшей мере, двадцать окунаний.
Наконец проводилась термообработка детали, на которую были нанесены предшествующие покрытия, в печи с атмосферным воздухом сначала при 600°С в течение 1 часа, затем при температуре от 1100 до 1250°Св течение 2 часов, при изменении температуры на 50°С/ч. между каждыми уровнями.
После этого этапа получили деталь с покрытием, вид поверхности которой в разрезе, полученный посредством растрового электронного микроскопа, показан на фиг. 6. Первый слой 13 располагается на подложке 11 из суперсплава АМ1. Заключённый в золь из YSZ подслой, не показанный на фотографии на фиг. 6, находится между подложкой 11 и первым слоем 13. Средняя толщина первого слоя 13 составила порядка 180 мкм. На фотографии хорошо прослеживается присутствие керамических волокон 14 внутри первого слоя 13. Средний коэффициент пористости первого слоя 13 теплового барьера составил в данном случае менее 20%. Первый слой 13 теплового барьера не содержал ни расслоений, ни трещин, что свидетельствует о хорошей аккомодации термомеханических напряжений.