Способ нанесения многослойного теплозащитного покрытия

Способ нанесения многослойного теплозащитного покрытия

Реферат

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности и может быть использовано для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.

Традиционно для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии используются керамические теплозащитные покрытия. Современное теплозащитное покрытие состоит из нескольких слоев. На поверхность детали сначала наносится жаростойкое покрытие для защиты от высокотемпературной коррозии и окисления. Самыми распространенными материалами на данный момент являются сплавы систем MCrAlY (M=Ni, Со) и Ni(Pt)-Al - они термически и химически совместимы с суперсплавами, из которых изготавливаются детали газотурбинного двигателя, и оказывают минимальное влияние на их свойства. Жаростойкие покрытия традиционно наносят методами плазменного напыления (на воздухе - APS или в вакууме - VPS), высокоскоростного напыления (на воздухе - HVOF) и рядом вакуумно-плазменных методов. В ходе эксплуатации на поверхности жаростойкого покрытия образуются оксиды роста - TGO. Формирование оксидов роста неизбежно и целью разработчиков является образование оксидов оста в виде α-Al₂O₃, чтобы его рост является медленным, однородным и бездефектным. Такой оксид роста имеет очень низкую проводимость по кислороду и благодаря этому создает превосходный диффузионный барьер, замедляя дальнейшее окисление металлического подслоя.

Верхний керамический слой ТБП призван снизить температуру детали за счет низкой теплопроводности. Традиционно используются материалы на основе диоксида циркония, стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия (7YSZ). Этот материал обладает уникальным сочетанием свойств - он имеет один из самых низких коэффициентов теплопроводности (2,3 Вт/м·К при 1000°С для плотного материала) и стабильно высокий коэффициент теплового расширения (11·10^-6 1/°С в диапазоне 20-1000°С). YSZ имеет относительно низкую плотность (6,4 г/см3), что является существенным при рассмотрении избыточного веса. Он имеет твердость 14 ГПа, которая придает покрытию стойкость к воздействию инородных предметов и эрозии, а также хорошую коррозионную стойкость при повышенных температурах. Наконец, YSZ имеет высокую температуру плавления (2700°С).

Чистый диоксид циркония ZrO₂ имеет три полиморфных модификации (моноклинную при Т<1446К, тетрагональную при Т<2643К и кубическую Т>2643К). Для применения в качестве материала теплозащитного покрытия необходимо стабилизировать оксидом иттрия Y₂O₃ (5-9% по массе) тетрагональную фазу, поскольку она обладает наилучшим сочетанием термических и механических свойств. После напыления порошка YSZ и термообработки покрытия основной фазой является нетрансформируемая тетрагональная t′-YSZ - она не подвергается фазовым превращениям при термоциклическом воздействии. Ресурс такого покрытия при температурах до 1100°С достаточно велик. При длительной эксплуатации при температуре более 1200°С происходит ее постепенная дестабилизация по следующему механизму:

t′-YSZ→t-YSZ+c-YSZ→m-YSZ+c-YSZ

Образовавшаяся трансформируемая тетрагональная фаза t-YSZ подвержена фазовому переходу в моноклинную m-YSZ и кубическую фазы c-YSZ, который протекает с изменением объема элементарной ячейки на 4% и приводит к полному разрушению покрытия.

Стабилизация структуры диоксида циркония окисью иттрия приводит к образованию в кристаллической структуре вакансий на позициях атомов кислорода. Атомы кислорода при повышении температуры до 1000-1100°С с высокой скоростью начинают перемещаться по вакансиям кристаллической решетки от поверхности покрытия к границе между YSZ и металлическим подслоем, приводя к формированию оксидов роста (Thermally Grown Oxide, TGO). Скорость диффузии кислорода по структуре YSZ и, соответственно, скорость роста TGO, зависит в основном от двух факторов - содержания стабилизирующей добавки (максимум при 10% мольн. Y₂O₃) и температуры (увеличение на порядок при росте температуры с 1100 до 1200°С).

Рост TGO в ходе эксплуатации газотурбинного двигателя - один из самых важных факторов, определяющих срок службы теплозащитного покрытия. По достижении определенной толщины TGO (5-7 мкм) верхний керамический слой теплозащитного покрытия скалывается из-за напряжений роста и термических напряжений, связанных с рассогласованием коэффициентов термического расширения (КТР). Таким образом, для увеличения ресурса теплозащитного покрытия необходимо снижение скорости диффузии кислорода через керамический слой теплозащитного покрытия.

Скорость роста TGO и его фазовый состав определяется не только скоростью диффузии кислорода через керамический слой, но и химическим составом металлического подслоя, а также его микроструктурой. Алюминий является основным элементом, влияющим на этот процесс. После напыления и термообработки металлического подслоя его структуру составляют две основные фазы: γ-твердый раствор на основе Ni(Co) и β-фаза состава Ni(Co)Al, которая является основным источником алюминия для роста пленки TGO. В ходе эксплуатации покрытия образуется зона, обедненная алюминием и вероятность образования рыхлого TGO в виде шпинелей Ni(Co)Cr(Al)₂O₄ повышается. Соответственно, содержание β-Ni(Co)Al определяет долговечность покрытия в целом. Проведенные исследования показали, что в покрытиях на основе NiCoCrAlY, полученных методом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) содержание β-Ni(Co)Al выше, чем полученных методом плазменного напыления на воздухе (APS). Причиной является низкое окисление исходного материала в процессе напыления и высокая плотность, минимизирующая «внутреннее» окисление покрытия. Как известно, покрытия полученные методом APS имеют более развитую поверхность (шероховатость), чем HVOF - за счет этого достигается повышение адгезии к нему керамического слоя.

Из уровня техники известен способ нанесения многослойного теплозащитного покрытия, включающий нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение верхнего керамического теплозащитного слоя (RU 2426817 С2, МПК С23С 14/06, 20.08.2011, формула), включающий нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение методом плазменного напыления дополнительного металлического жаростойкого подслоя и верхнего керамического теплозащитного слоя. Известное решение позволяет получить долговечное теплозащитное покрытие, однако имеет ряд технологических недостатков, которые заключаются в обилии технологических операций, в том числе выполняемых в условиях пониженного давления. Поскольку размеры деталей горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности значительно выше, чем авиационных двигателей, это приведет к значительному повышению стоимости нанесения покрытий.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является продление ресурса деталей горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности.

Техническим результатом является защита от воздействия высоких температур, эрозии и коррозии с помощью формирования долговечных теплозащитных покрытий.

Желаемый технический результат достигается тем, что в способе нанесения многослойного теплозащитного покрытия, включающем нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение методом плазменного напыления дополнительного металлического жаростойкого подслоя и верхнего керамического теплозащитного слоя, при этом основной металлический жаростойкий подслой наносят методом высокоскоростного газопламенного напыления толщиной 20-150 мкм из сплава системы MCrAlY, в котором M=Ni, Со, Fe, а дополнительный металлический жаростойкий подслой наносят из сплава системы MCrAlY, в котором M=Ni, Со, Fe, толщиной 10-50 мкм, а верхний керамический теплозащитный слой наносят из материала на основе оксида циркония, частично стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия толщиной 120-750 мкм.

На материал детали после подготовки поверхности наносится основной металлический жаростойкий подслой, который выполнен из материала на основе сплавов системы MCrAlY (M=Ni, Со, Fe). Основной металлический слой может быть нанесен методом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) для получения плотных покрытий с высокой адгезией и минимизации окисления материала в ходе напыления. Основной металлический слой может иметь толщину 20-150 мкм.

На поверхность основного металлического подслоя наносится дополнительный металлический жаростойкий подслой, который выполнен из материала на основе сплавов системы MCrAlY (M=Ni, Со, Fe). Дополнительный металлический слой может быть нанесен методом плазменного напыления на воздухе (APS) для получения покрытий с высокой шероховатостью, которая необходима для увеличения адгезии верхнего керамического слоя. Дополнительный металлический слой может иметь толщину 10-50 мкм.

Верхний керамический теплозащитный слой, который выполнен из материала на основе диоксида циркония, частично стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия. Верхний керамический слой может быть нанесен методом плазменного напыления на воздухе (APS) для получения покрытий с низким коэффициентом теплопроводности. Верхний керамический слой может иметь толщину 120-750 мкм.

Заявляемый технический результат достигается только при выполнении в заявляемой последовательности нанесения слоев. В случае, если последовательность нанесения слоев, методы их нанесения и их толщины будут нарушены в силу вышеизложенного, технический результат достигнут не будет.

Пример:

На поверхность рабочей лопатки газотурбинного двигателя из никелевого сплава ЧС-88 нанесли теплозащитное покрытие, включающее три слоя: методом высокоскоростного напыления основной металлический подслой на никелевой основе (Ni-20Co-17Cr-12Al-0,6Y) толщиной 100 мкм, методом плазменного напыления на воздухе дополнительный металлический подслой на никелевой основе (Ni-20Co-17Cr-12Al-0,6Y) толщиной 30 мкм и методом плазменного напыления на воздухе верхний керамический слой на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO₂-7Y₂O₃ толщиной 250 мкм.

По данным проведенных термоциклических испытаний (выполненных на стенде с односторонним нагревом образцов газовой горелкой до 1100°С), нанесение на поверхность основного металлического подслоя с низкой пористостью и содержанием кислорода дополнительного металлического подслоя с высокой шероховатостью позволяет повысить адгезию верхнего керамического подслоя к металлическому подслою и таким образом увеличить ресурс теплозащитного покрытия не менее чем на 15%.

Способ нанесения многослойного теплозащитного покрытия на детали газотурбинного двигателя, включающий нанесение основного металлического жаростойкого подслоя и нанесение методом плазменного напыления дополнительного металлического жаростойкого подслоя и верхнего керамического теплозащитного слоя, отличающийся тем, что основной металлический жаростойкий подслой наносят методом высокоскоростного газопламенного напыления толщиной 20-150 мкм из сплава системы MCrAlY, в котором M=Ni, Со, Fe, дополнительный металлический жаростойкий подслой наносят из сплава системы MCrAlY, в котором M=Ni, Со, Fe, толщиной 10-50 мкм, а верхний керамический теплозащитный слой наносят из материала на основе оксида циркония, частично стабилизированного 6-8% по массе оксидом иттрия толщиной 120-750 мкм.