[1]Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для нанесения теплозащитного покрытия на трактовую поверхность рабочих и сопловых лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД) с равноосной или монокристаллической структурой, изготовленных из жаропрочных литейных сплавов на основе никеля.
[2]Известен материал керамического слоя теплозащитного покрытия (ТЗП) и способ нанесения покрытия на лопатку турбины, включающий предварительную абразивно-жидкостную обработку и обработку шлифпорошком, нанесение слоя жаростойкого покрытия из сплава на никелевой основе методом вакуумно-плазменной технологии, нанесение второго слоя из сплава на основе алюминия, легированного никелем 13-16% и иттрием 1,5-1,8%, вакуумный отжиг и подготовку поверхности перед нанесением 3-го керамического слоя из диоксида циркония стабилизированного (7-9) мас.% оксида иттрия (ZrO2·7-9% Y2O3) и последующие дополнительные вакуумный диффузионный и окислительный отжиги (патент РФ №2078148).
[3]Для продления ресурса работы лопаток турбин высокого давления или температуры рабочего газа турбины применяют теплозащитные покрытия (ТЗП), содержащие внутренний жаростойкий одно- или многослойный металлический или металлокерамический слой и внешний керамический слой (КС). ТЗП обеспечивают снижение температуры на поверхности пера охлаждаемых лопаток турбин на 50°C и более. Величина снижения температуры (теплозащитный эффект) определяется толщиной, удельной теплопроводностью материала керамического слоя ТЗП и тепловым потоком, направленным от рабочего газа, воздействующего на поверхность лопатки турбины к охлаждающему эту лопатку по внутренней поверхности воздуху.
[4]В качестве материала КС ТЗП широко используется диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (ИСЦ). Для нанесения ИСЦ в основном используется процесс электронно-лучевого напыления (ЭЛН). В области рабочих температур, электронно-лучевой КС ТЗП имеет столбчатую структуру и коэффициент теплопроводности Кц=2,5-2,9 Вт/м·K. При таких значениях Кц, КС, обеспечивает теплозащитный эффект, соответственно, ~0,6°C на один микрон толщины этого слоя. (см. Е.Н. Каблов, С.А. Мубояджян. «Теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД» «Металлы», №1, 2012 г., стр.5-13).
[5]Недостатком известного материала керамического слоя теплозащитного покрытия является относительно высокая теплопроводность этого материала и большая толщина КС, необходимая для получения теплозащитного эффекта на уровне 100°C, что в свою очередь нагружает дополнительно материал лопаток турбины ГТД из-за большой массы этого слоя ТЗП.
[6]Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является материал для керамического слоя ТЗП, содержащий один или несколько оксидов редкоземельных металлов и, в частности, материал на основе диоксида циркония, оксида гадолиния (Gd2O3 - 32-41% по массе) и оксида иттрия (Y2O3 - 4-4,8% по массе). Такой материал имеет коэффициент теплопроводности 0,95-1,2 Вт/м·K, что обеспечивает получение теплозащитного эффекта на лопатках турбины газотурбинного двигателя на уровне 100°C при толщине слоя керамики 50-60 мкм (патент EP 1-400611 A1).
[7]Недостатком материала прототипа является низкая термостойкость керамического слоя теплозащитного покрытия при интенсивном нагреве и последующем охлаждении поверхности изделия с покрытием, что не позволяет использовать материал на лопатках турбины ГТД.
[8]Технической задачей изобретения является разработка материала с улучшенными физическими свойствами.
[9]Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости и коэффициента теплопроводности на уровне 1 Вт/м·K в области рабочих температур покрытия (1100-1150°C) и длительно сохраняющейся величиной теплозащитного эффекта при рабочих температурах изделия.
[10]Технический результат достигается тем, что предлагается керамическое теплозащитное покрытие для изделий из жаропрочных литейных сплавов на никелевой основе, содержащее оксид циркония, оксид гадолиния и оксид иттрия, отличающееся тем, что оно содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
[11]| Gd2O3 | 2-9 |
| Y2O3 | 7-9 |
| ZrO2 | остальное |
[12]При таком содержании оксидов керамическое ТЗП имеет коэффициент теплопроводности в области температур 1100-1150°C Кц ≈1 Вт/м·K (измерения проведены импульсным лазерным методом нагрева поверхности ТЗП) и обеспечивает термостойкость на уровне 1000 циклов при термоциклировании по режиму 1100°C - выдержка 55 минут, охлаждение с 1100 до ~20°C в течение 5 минут, что значительно превышает термостойкость ТЗП с керамическим слоем на основе материала прототипа при одинаковом внутреннем жаростойком слое ТЗП. Исследования показывают, что повышение термостойкости предлагаемого материала для КС ТЗП связано с меньшей скоростью окисления поверхности внутреннего жаростойкого слоя ТЗП, так как разрушение керамического слоя ТЗП определяется когезионной прочностью оксидного слоя на поверхности жаростойкого слоя ТЗП и отслоение КС наступает при толщине этой оксидной пленки 10-15 мкм. Измерение коэффициента теплопроводности КС ТЗП после длительных 1000 ч испытаний показывает, что значения Кц КС покрытия повышаются на 15-16%.
[13]Примеры осуществления
[15]Материал керамического слоя ТЗП и теплозащитное покрытие наносилось следующим образом. На плоские дисковые монокристаллические образцы диаметром 25,4 мм и толщиной 5 мм из жаропрочного никелевого сплава ЖС36 (сплав системы Ni-W-Co-Al-Cr-Nb-Mo-Ti-Re) наносили на ионно-плазменной установке МАП-3 по серийной технологии жаростойкое двухстадийное конденсационно-диффузионное покрытие из сплава СДП-2 на основе никеля, содержащего алюминий, хром, иттрий, и из сплава на основе алюминия ВСДП-16, легированного никелем и иттрием при токах разряда вакуумной дуги, соответственно, 700 и 500 А и электрическом потенциале на образцах 300 В (ионная очистка и термоактивация подложки) и 10 В - осаждение слоев жаростойкого слоя ТЗП. Затем проводили вакуумную термообработку покрытых образцов для формирования исходной структуры покрытия и пескоструйную обработку поверхности образцов для последующего нанесения КС ТЗП.
[16]Керамический слой ТЗП толщиной 50-60 мкм наносили на установке УОКС-2 магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы. Изделия (образцы и лопатки турбины) размещали в камере напыления установки, содержащей по крайне мере две мишени из сплава Zr-Y-Gd с одинаковым содержанием Gd 2,33 (% по массе) и Y 7,41% для получения КС ТЗП из предлагаемого материала. Питание магнетронных испарителей осуществлялось от инверторного источника тока с рабочим напряжением до 600 В, током до 30 А с использованием дуального электрического ключа, переключающего полярность питающего напряжения на распыляемых мишенях с частотой 5-40 кГц. Таким образом, были получены образцы с ТЗП и керамическим слоем следующего состава ZrO2 - 7% Y2O3 - 2% Gd2O3 (% по массе), а также образцы с этим ТЗП в виде таблеток диаметром 10 мм и толщиной 1 мм для определения коэффициента теплопроводности материала керамического слоя ТЗП импульсным лазерным методом.
[17]Для определения термостойкости КС ТЗП были проведены термоциклические испытания полученных образцов. Цикл включал в себя выдержку образцов при температуре 1100°C в течение 55 мин и охлаждение в течение 5 мин в струе сухого сжатого воздуха при давлении 0,2 МПа до комнатной температуры. После каждых 20 циклов испытаний проводили визуальный осмотр состояния поверхности образцов с ТЗП. При скалывании с поверхности 25-30% КС ТЗП образец снимался с испытаний.
[18]Пример 2. Пример аналогичен примеру 1, только для нанесения КС ТЗП на образцы использовались мишени из сплава Zr-Y-Gd с одинаковым содержанием Gd - 6,37 (% по массе) и Y - 8,41% для получения КС ТЗП из предлагаемого материала состава ZrO2 - 8% Y2O3 - 5,5% Gd2O3.
[19]Пример 3. Пример аналогичен примерам 1 и 2, но для нанесения КС ТЗП на образцы использовались мишени из сплава Zr-Y-Gd с одинаковым содержанием Gd - 10,35 (% по массе) и Y - 9,4% для получения КС ТЗП из предлагаемого материала состава ZrO2 - 9% Y2O3 - 9% Gd2O3.
[20]Пример 4. Пример был выполнен из материала прототипа и для нанесения КС ТЗП использовались мишени из сплава на основе циркония с фиксированным содержанием Gd - 40,2% и Y - 4,4% для нанесения КС ТЗП прототипа, имеющего состав ZrO2 - 36,5% Gd2O3 - 4,4% Y2O3.
[21]Результаты испытаний на термостойкость образцов с ТЗП и значения коэффициента теплопроводности предлагаемого материала керамического слоя ТЗП и материала по способу-прототипу представлены в таблице.
[22]
[23]Как видно из таблицы, предлагаемый материал керамического слоя ТЗП обеспечивает повышение стойкости КС к скалыванию при испытаниях на термостойкость по режиму 1100°C - выдержка 55 минут, охлаждение с 1100 до ~20°C в течение 5 минут в 4,4-5,6 раз в сравнении с материалом КС ТЗП прототипа. При этом коэффициент теплопроводности материала КС ТЗП изменяется в пределах от 1 до 1,22 Вт/м·K, а у материала прототипа коэффициент теплопроводности составляет 1,1 Вт/м·K. Коэффициент теплопроводности КС ТЗП после выдержки образцов в атмосферной печи при 1100°C в течение 1000 ч для предлагаемого материала (примеры 1-3) увеличился от исходного значения на 15-16%, а для материала прототипа на 19-20%, что указывает на меньшую спекаемость предлагаемого материала керамического слоя ТЗП по сравнению с прототипом.
[24]Аналогичные результаты были получены на образцах с монокристаллической структурой из жаропрочного сплава ЖС32.
[25]Применение изобретения в производстве монокристаллических рабочих лопаток турбин позволит увеличить ресурс работы турбин высокого давления ГТД различного назначения более чем в 2 раза, а также уменьшить в 2-2,2 раза толщину керамического слоя ТЗП по сравнению со стандартной керамикой ZrO2-(7-8)% Y2O3 при одинаковом теплозащитном эффекте.
