Теплове захисне покриття зі стабілізованою еластичною мікроструктурою

1. Теплове захисне покриття зі стабілізованою еластичною мікроструктурою (20) для покриття основи (12) містить: зв'язувальний шар покриття (22) розташований на поверхні (12а) вказаної основи (12), сегментований колоноподібний керамічний шар (25), розташований на вказаному зв'язувальному шарі покриття (22), при цьому вказаний сегментований колоноподібний керамічний шар (25) містить шар стабілізованого діоксиду цирконію, розташований на зв'язувальному шарі покриття, шар стабілізованого діоксиду гафнію, розташований на вказаному шарі стабілізованого діоксиду цирконію та перехідну зону між шарами стабілізованого діоксиду цирконію і стабілізованого діоксиду гафнію, в якій концентрація стабілізованого діоксиду цирконію зменшена, а концентрація стабілізованого діоксиду гафнію збільшена відповідно до перехідного градієнту, вказаний керамічний шар має множину сусідніх колон (32), утворених по суті в ньому і має множину зазорів сегментації (30) між сусідніми колонами, і структурно-стабілізуючий матеріал (40), розташований у межах вказаної множини зазорів сегментації (30), між сусідніми колонами (32). 2. Теплове захисне покриття за п. 1, в якому вказаний шар стабілізованого діоксиду гафнію містить 2 (19) 1 3 Даний винахід в основному відноситься до теплового захисного покриття для елемента газової турбіни, а більш точно до теплового захисного покриття, що має, принаймні, один керамічний шар, який має сегментовану колоноподібну мікроструктуру та при цьому демонструє збільшену стабільність. Даний винахід відноситься до методів нанесення покриття на основу, тобто захисного покриття, що має, принаймні, один сегментований колоноподібний керамічний шар. Для збільшення ефективності газотурбінних двигунів в даний час використовують більш високі робочі температури. Однак здатність працювати при підвищених високих температурах газу всередині двигуна обмежується здатністю елементів з високотемпературного сплаву підтримувати механічну міцність та цілісність після тривалого впливу тепла, а також корозійної та окисної дії газу, що їх бомбардує. Фахівцям у даній галузі техніки відоме застосування теплових захисних покриттів для основ з високотемпературного сплаву для забезпечення теплової ізоляції основ, а також для забезпечення вповільнення дії процесів ерозії, окислювання та корозії основи від впливу гарячого газу. Звичайно, відомі еластичні теплові захисні покриття включають зовнішній керамічний шар, що має сегментовану колоноподібну мікроструктуру. Зазори сегментації між окремими колонами зовнішнього керамічного шару привносять характеристики еластичності та дають можливість колоноподібному шару розширюватися та контактувати без розвитку напружень, які можуть викликати сколювання. Однак наступний вплив температур, що перевищують 2000 градусів за Фаренгейтом, тобто випал багатозернистних колон або колоноподібних зерен може закрити зазори сегментації між колонами. Після того як зазори закриються, керамічний шар не зможе більше адаптувати теплове розширення неузгодженостей великої керамічної основи, і як наслідок буде відбуватися сколювання, що приведе до збільшення передачі тепла елементу. У патенті США №6,203,927 B1 на ім'я Субраманяна (Subramanian) та ін. описується теплове захисне покриття, що має захисний матеріал спікання, нанесений на колони колоноподібного керамічного шару. У патенті США №6,296,945 B1 на ім'я Субраманяна (Subramanian) описується колоноподібне базове теплове захисне покриття, що має оксидний керамічний матеріал оболонки на ньому, де матеріал оболонки є продуктом реакції застосованого попереднього оксидного матеріалу та матеріалу колоноподібного базового теплового захисного покриття. У патенті США №6,103,386 на ім'я Странгмана (Strangman) описується теплове захисне покриття, що має колоноподібний зернистий керамічний шар (тобто, наприклад, шар окису цирконію) та оболонку зв'язуючого стабілізатора, наприклад, такого як окис алюмінію, нанесеного між колоноподібними зернами, за допомогою чого зв'язуючий стабілізатор привносить опірність спіканню колоноподібних зерен. Однак розчинність окису алюмінію в окисі 88876 4 цирконію або розплавлювання окису алюмінію та окису цирконію обмежує максимальні температурні можливості таких теплових захисних покриттів на рівні близько 3000 градусів за Фаренгейтом. На відміну від цього сучасні газотурбінні двигуни вимагають значно більш високих поверхневих температурних можливостей, а саме вимагають рівня приблизно 3400 градусів за Фаренгейтом. Як можна бачити існує необхідність у теплових захисних покриттях які мають збільшену стабільність та цілісність колоноподібних керамічних шарів при більш високих робочих температурах. Крім того, існує необхідність у тепловому захисному покритті, що захищає від проникнення сторонніх матеріалів у зазори сегментації в колоноподібних керамічних шарах. Також існує необхідність у стабільних теплових захисних покриттях, які дають можливість формувати отвір ефузії в покритті та нижче лежачій основі або елементі без, або з мінімальними міжповерхневими розтріскуваннями або відколами теплового захисного покриття. В одному з варіантів даного винаходу теплове захисне покриття містить зв'язуючий шар покриття, нанесений на основу, і сегментований колоноподібний керамічний шар, нанесений на зв'язуючий шар покриття. Даний сегментований колоноподібний керамічний шар містить, щонайменше, один зі стабілізованих шарів діоксиду цирконію та стабілізованих шарів діоксиду гафнію. Дані шари діоксиду цирконію та діоксиду гафнію зазвичай містять стабілізуючий окисний компонент, наприклад такий як, діоксид ітрію для забезпечення, наприклад, шару діоксиду цирконію, стабілізованого діоксидом ітрію, та шару діоксиду гафнію, стабілізованого діоксидом ітрію. Даний сегментований колоноподібний керамічний шар містить безліч зазорів сегментації, розміщених між безліччю колон. Структурно-стабілізуючий матеріал розташовується між сусідніми колонами колоноподібної мікроструктури. В іншому варіанті даного винаходу забезпечується теплове захисне покриття, що має зв'язуючий шар покриття, нанесений на поверхню основи, тобто шар діоксиду цирконію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію на зв'язуючому шарі покриття. Шар діоксиду цирконію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію може містити від 7 до 40% моля діоксиду ітрію та від 60 до 93% моля діоксиду цирконію. Даний шар діоксиду цирконію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію може мати товщину в діапазоні від 5 до 60 міл (прим, перекладача: міра довжини, одна тисячна дюйма). Крім того, дане температурне захисне покриття містить шар діоксиду гафнію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію, нанесеного на шар діоксиду цирконію стабілізованого діоксидом ітрію. Даний шар діоксиду гафнію кубічної модифікації стабілізований діоксидом ітрію може мати товщину в діапазоні від 5 до 60 міл. Як шар діоксиду гафнію кубічної модифікації, стабілізований діоксидом ітрію, так і шар діоксиду цирконію кубічної модифікації, стабілізований 5 діоксидом ітрію, мають колоноподібну мікроструктуру та безліч зазорів сегментації в колоноподібній мікроструктурі. Зазори сегментації орієнтовані здебільшого перпендикулярно поверхні основи. Крім того, теплове захисне покриття містить структурно-стабілізуючий матеріал у зазорах сегментації. Звичайно, структурно-стабілізуючий матеріал містить частинки ітрій-алюмінієвого окису або суміші окису алюмінію та ітрій-алюмінієвого окису, які мають діаметр у діапазоні приблизно від 0,1 до 2 мікронів. Крім того, теплове захисне покриття може ще включати зовнішній герметизуючий шар на шарі діоксиду гафнію стабілізованого діоксидом ітрію. Даний зовнішній герметизуючий шар може містити безперервне несегментоване покриття на колоноподібній мікроструктурі так, що герметизуючий шар герметизує зазори сегментації в шарі діоксиду гафнію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію. Даний зовнішній герметизуючий шар може містити стабілізований діоксид цирконію кубічної модифікації або стабілізований діоксид гафнію кубічної модифікації, наприклад, такий як діоксид цирконію кубічної модифікації, стабілізований діоксидом ітрію, або діоксид гафнію кубічної модифікації, стабілізований діоксидом ітрію. В іншому варіанті даного винаходу виріб виробництва для газотурбінного двигуна містить основу з високотемпературного сплаву, зв'язуючий шар покриття, розташований на основі, перший сегментований колоноподібний керамічний шар, що містить діоксид цирконію, стабілізований діоксидом ітрію, нанесений на зв'язуючий шар покриття, і другий сегментований колоноподібний керамічний шар, що містить діоксид гафнію, стабілізований діоксидом ітрію, нанесений на перший сегментований колоноподібний керамічний шар. Як перший, так і другий сегментований колоноподібний керамічний шар мають безліч зазорів сегментації. Дані зазори сегментації розкидані та обмежені безліччю колон у першому та у другому сегментованому колоноподібному керамічному шарі. Даний структурно-стабілізуючий матеріал розташований у зазорах сегментації. Структурно-стабілізуючий матеріал підтримує цілісність безлічі колон, як у першому, так і другому сегментованому колоноподібному керамічному шарі. Зовнішній безперервний несегментований керамічний герметизуючий шар наноситься на другий колоноподібний керамічний шар для запобігання проникненню зовнішніх матеріалів у зазори сегментації. В іншому варіанті даного винаходу метод формування теплового захисного покриття на основі містить забезпечення основи, тобто нанесення зв'язуючого покривного шару на поверхню основи, нанесення першого сегментованого колоноподібного керамічного шару діоксиду цирконію, стабілізованого діоксидом ітрію на зв'язуючий шар покриття, нанесення другого сегментованого колоноподібного керамічного шару діоксиду гафнію, стабілізованого діоксидом ітрію, на перший сегментований колоноподібний керамічний шар і нанесення структурно-стабілізуючого матеріалу в безліч зазорів сегментації першого та другого колоноподібного керамічного шару. Перший та дру 88876 6 гий сегментований колоноподібний керамічний шар наноситься таким чином, що кожний із сегментованих колоноподібних керамічних шарів має безліч колон, де колони визначають зазори сегментації. Ці та інші особливості, аспекти та переваги даного винаходу будуть краще зрозумілі при розгляді нижчеподаних креслень, описів та пунктів формули винаходу. На Фігурі 1 демонструється поперечний переріз частини зробленого виробу, що схематично представляє теплове захисне покриття на основі відповідно до одного з варіантів здійснення винаходу. На Фігурі 2 демонструється поперечний переріз частини зробленого виробу, що схематично представляє теплове захисне покриття на основі відповідно до іншого варіанта здійснення винаходу. На Фігурі 3А та 3В демонструється поперечний переріз частини зробленого виробу, що схематично представляє теплове захисне покриття, яке має колоноподібну мікроструктуру та де структурностабілізуючий матеріал розташований у зазорах сегментації колоноподібної мікроструктури відповідно до двох різних варіантів здійснення винаходу. На Фігурі 4 схематично представлений ряд етапів, які мають місце при виготовленні теплового захисного покриття на основі відповідно до іншого варіанта здійснення винаходу; і На Фігурі 5 демонструється поперечний переріз, що схематично представляє теплове захисне покриття відповідно до одного з варіантів здійснення винаходу. Докладний нижчеподаний опис є одним з найкращих придуманих методів донесення винаходу. Даний опис не треба сприймати в сенсі обмеження, тому що опис виконаний єдино з метою ілюстрації основних принципів даного винаходу, оскільки об'єм винаходу щонайкраще визначається прикладеною формулою винаходу. Метою пропонованого винаходу є створення складу теплового захисного покриття, створення виробів виробництва та методів готування, елементів з тепловим захисним покриттям для сучасних газотурбінних двигунів. Наприклад, в основному метою даного винаходу є забезпечення теплового захисного покриття для газотурбінних елементів, наприклад, таких як камери згоряння, вкладиші, захисні оболонки та крила. Теплові захисні покриття даного винаходу мають колоноподібну мікроструктуру, що містить, щонайменше, один сегментований колоноподібний керамічний шар, у якому зовнішній сегментований колоноподібний керамічний шар, який найбільш розігрівається, може містити діоксид гафнію, стабілізований діоксидом ітрію, та структурно-стабілізуючий матеріал з високою температурою розплаву нанесений у зазори сегментації в шарі діоксиду гафнію стабілізованого діоксидом ітрію. Такі теплові захисні покриття підтримують цілісність зазорів сегментації в колоноподібних керамічних шарах при високих робочих температурах, і розширюють здатність витримувати максимальну поверхневу температуру, щонай 7 менше, до рівня близько 3400 градусів за Фаренгейтом. Це на противагу звичайним тепловим захисним покриттям, які мають зовнішній шар діоксиду цирконію стабілізованого діоксидом ітрію, у якому цілісність зазорів сегментації губиться при набагато більш низьких температурах. Крім того, додатково теплові захисні покриття даного винаходу можуть включати відносно щільний, несегментований, зовнішній, герметизуючий шар. Такий герметизуючий шар запобігає або не дає можливості проникнути опадам розплавленої скломаси у вигляді пилу або інших забруднюючих речовин у перший та другий колоноподібні шари теплового захисного покриття. Опади скломаси у вигляді пилу або інші забруднюючі речовини можуть викликати процеси ерозії, корозії та деградації у звичайних теплових захисних покриттях та підстилаючих основах у відомих газотурбінних елементах. Крім того, теплові захисні покриття даного винаходу демонструють збільшену стабільність, що дозволяє формування отворів ефузії в покритті та нижче лежачої основи за допомогою лазерного свердління без надмірного міжповерхневого розтріскування в тепловому захисному покритті. Перший та другий сегментовані колоноподібні керамічні шари теплових захисних покриттів запропонованого винаходу може наноситися за допомогою різних відомих процесів осадження, наприклад, таких як фізичне електроннопроменеве осадження з парової фази (EB-PVD - electron beam physical vapor deposition) або плазмове напилювання з метою одержання колоноподібної мікроструктури. Колони в керамічних шарах можуть бути багатозернисті (тобто у випадку коли осадження відбувається за допомогою процесу плазмового напилювання) або одиночних зерен (тобто у випадку коли осадження відбувається за допомогою процесу електронно-променевого осадження з парової фази). Дані колоноподібні зерна або багатозернисті колони за звичай орієнтовані головним чином перпендикулярно поверхні основи з нанесеним покриттям. Зазори сегментації розташовані між колонами. Дані зазори сегментації можуть бути субмікронного або мікронного розміру, наприклад можуть мати ширину в діапазоні приблизно від 0,1 до 10 мікронів. Присутність міжколонних зазорів сегментації зменшує ефективний модуль (збільшує еластичність) першого та другого сегментованих колоноподібних керамічних шарів в площині покриття. Збільшена еластичність, забезпечена зазорами сегментації збільшує термін служби покриття шляхом виключення або зменшення напружень, які пов'язані з тепловим градієнтом та неузгодженістю теплового розширення основи та покриття. Дана цілісність першого та другого колоноподібного керамічного шару підтримується високою температурою розплавлювання, гранульованим структурно-стабілізуючим матеріалом, нанесеним між сусідніми колонами. Звичайно, що структурностабілізуючий матеріал містить частинки другої фази керамічного матеріалу, які хімічно сумісні з першим і другим колоноподібним керамічним шаром. Крім того, в одному варіанті здійснення вина 88876 8 ходу цілісність першого та другого колоноподібного керамічного шару підтримується зовнішнім, безперервним несегментованим керамічним герметизуючим шаром, що запобігає попаданню дестабілізуючих зовнішніх матеріалів. На Фігурі 1 демонструється поперечний переріз, що схематично представляє частину зробленого виробу 10, відповідно до одного із варіантів здійснення винаходу. Відповідно до малюнка, виріб 10 містить основу 12 та теплове захисне покриття 20, що розташовується на поверхні основи 12а. Основа 12 може складатися з кераміки або металу. Звичайно, що основа 12 - це основа з високотемпературного сплаву, причому часто це високотемпературний сплав на основі нікелю або кобальту. Наприклад, основа 12 може бути високотемпературним сплавом, що має склад як описано в патентах США №6,103,386 і 6,482,537, опис яких включений в заявку шляхом посилання для повноти. Теплове захисне покриття 20 містить зв'язуючий шар покриття 22 нанесений на основу 12. У випадку керамічної основи 12 зв'язуючий шар покриття 22 може сам по собі містити кераміку. У випадку металевої основи 12, тобто основи з високотемпературного сплаву на базі нікелю, зв'язуючий шар покриття 22 може містити MCrAlY сплав, де M це, щонайменше, або кобальт, або нікель. Звичайно, що такі сплави містять від 10 до 35% хрому, від 5 до 15% алюмінію та від 0,01 до 1% ітрію або гафнію, або лантану. Сплави MCrAlY - це відомі сплави в даній галузі техніки як, наприклад, описано в патенті США №4,880,614,опис якого включений в заявку шляхом посилання для повноти. Зв'язуючий шар покриття 22, який містить MCrAlY сплав може бути нанесений різними процесами осадження відомими в даній галузі техніки такими способами наприклад як електроннопроменеве осадження з парової фази, плазмовим напилюванням або іншими подібними методами. Як альтернатива зв'язуючий шар покриття 22 може містити інтерметалічний алюмінід, як у патенті США №5,238,537 та у патенті CШA №5,514,482, опис яких включений в заявку шляхом посилання для повноти. Типово, що зв'язуючий шар покриття 22 має товщину приблизно в діапазоні від 0,5 до 20 міл, зазвичай має товщину приблизно від 1 до 15 міл та часто має товщину приблизно від 2 до 7 міл. У деяких варіантах здійснення винаходу зв'язуючий шар покриття може бути спроектований для термічного вирощування в'язкої захисної окалини, що переважно є окисом алюмінію (дивися, наприклад патент США №6,482,537, опис якого включений в заявку шляхом посилання для повноти). Така окалина не показана на кресленнях заради ясності викладу матеріалу. Дана термічно вирощена окалина хімічно сумісна зі стабілізованим діоксидом цирконію. Звичайно, що термічно вирощена окалина на проміжному зв'язуючому шарі діоксиду цирконію утворить ядро субмікронної товщини під час осадження керамічних шарів та під час будь-якої теплової обробки після покриття. Згодом окалина виростає за звичай до товщини в кілька мікрон під час експлуатації еле 9 мента. Крім того, теплове захисне покриття 20 містить перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 нанесений на зв'язуючий шар покриття 22. Звичайно, що перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 має вигляд безлічі здебільшого паралельних колон 32, розташованих перпендикулярно поверхні основи 12, і має безліч зазорів сегментації 30, які розташовані здебільшого паралельно та розташовані між сусідніми колонами 32 (дивися Фіг.2-4). Зазори сегментації 30 та колони 32 на Фіг.1 опущені для ясності викладу матеріалу. Перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 може містити стабілізований діоксид цирконію. В одному варіанті здійснення винаходу перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 може містити діоксид цирконію кубічної модифікації стабілізований діоксидом ітрію. Діоксид цирконію кубічної модифікації стабілізований діоксидом ітрію може містити приблизно від 7 до 50 молярних відсотків діоксиду ітрію та від 50 до 93 молярних відсотків діоксиду цирконію та звичайно приблизно від 7 до 40 молярних відсотків діоксиду ітрію та від 60 до 93 молярних відсотків діоксиду цирконію та часто від 10 до 40 молярних відсотків діоксиду ітрію та від 60 до 90 молярних відсотків діоксиду цирконію. В альтернативному варіанті здійснення винаходу перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 може містити діоксид цирконію тетрагональної модифікації стабілізований діоксидом ітрію. Для типових випадків товщина першого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24 є приблизно в діапазоні від 5 до 60 міл, для звичайних випадків складає приблизно в діапазоні від 10 до 50 міл та для частих випадків складає в діапазоні приблизно від 20 до 50 міл. Для формування першого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24 може використовуватися ряд процесів нанесення. Специфічний процес нанесення, що використовується для формування першого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, може змінюватися у відповідності зі специфічним елементом, який необхідно покрити, та необхідною товщиною шару 24. Як приклад: для покриття більших елементів, наприклад, таких як камери згоряння та вкладиші може використовуватися процес плазмового напилювання для забезпечення вертикально сегментованого першого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24 діоксиду цирконію стабілізованого діоксидом ітрію. Наприклад, такий процес описується в патенті США №5,073,433, опис якого включений в заявку шляхом посилання для повноти. Як альтернатива, товсті керамічні шари, нанесені традиційним методом напилення, можуть бути сегментовані шляхом використання методу описаного в патенті США №4,914,794, опис якого включений в заявку шляхом посилання для повноти. Як наступний приклад: відносно товсті еластичні керамічні шари можуть застосовуватися для різних елементів, наприклад, таких як камери згоряння або сегменти захисних оболонок, шляхом викори 88876 10 стання процесу електронно-променевого осадження з парової фази. Такий процес електроннопроменевого осадження з парової фази описується в патенті США №5,514,482, опис якого включено в заявку шляхом посилання для повноти. Знову розглянемо Фігуру 1, де теплове захисне покриття, крім того, включає другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 нанесений на перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24. Звичайно, що другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 має колоноподібну мікроструктуру, що являє собою безліч колон які більшою мірою орієнтовані перпендикулярно поверхні основи 12а, подібно тому, що описувалося для першого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24 (для приклада дивися Фіг.2-4). Звичайно, що другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 містить стабілізований діоксид гафнію. В одному варіанті здійснення винаходу другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 містить діоксид гафнію кубічної модифікації стабілізований діоксидом ітрію, що містить приблизно від 12 до 50 молярних відсотків ітрію, звичайно містить приблизно від 15 до 50 молярних відсотків ітрію, і часто містить приблизно від 18 до 40 молярних відсотків ітрію. Відповідно до даної заявки на винахід, комбінація діоксиду цирконію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію в першому колоноподібному керамічному шарі 24 та діоксиду гафнію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію в другому сегментованому колоноподібному керамічному шарі 26 забезпечує теплове захисне покриття, що має можливість витримувати температури, щонайменше, біля 3400 градусів за Фаренгейтом. В альтернативному варіанті здійснення винаходу другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 може містити діоксид гафнію тетрагональної модифікації стабілізований діоксидом ітрію, при цьому перший колоноподібний керамічний шар 24 типово містить діоксид цирконію тетрагональної модифікації стабілізований діоксидом ітрію. Товщина другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 26 може бути менше першого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, при цьому для типових випадків товщина є приблизно в діапазоні від 5 до 50 міл, для звичайних випадків є приблизно в діапазоні від 5 до 40 міл та для частих випадків є в діапазоні приблизно від 5 до 30 міл. Відповідна товщина першого та другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26 може вибиратися на основі температурного градієнта теплових захисних покриттів 20/20'. Наприклад, товщина другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 26 може бути обрана таким чином, що перехід від діоксиду гафнію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію до діоксиду цирконію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію має місце при проектній температурі приблизно менше рівня 2900 градусів за Фаренгейтом. Другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 може формуватися за допомогою різних процесів нанесення відомих у даній галузі техніки, напри 11 клад, таких як були описані вище при згадуванні нанесення другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24. Перший та другий сегментовані колоноподібні керамічні шари 24, 26 містять структурно стабілізуючий матеріал (на Фігурі 1 не показаний) нанесений у зазори сегментації 30, як буде описано нижче в даній заявці, наприклад, при розгляді Фіг.3-4. На Фігурі 2 демонструється поперечний переріз частини зробленого виробу 10', де схематично представлене теплове захисне покриття 20' на основі 12 відповідно до іншого варіанта здійснення винаходу. Теплове захисне покриття 20' містить зв'язуючий шар покриття 22, перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24, розташований на зв'язуючому шарі покриття 22, другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26, розташований на першому сегментованому колоноподібному керамічному шарі 24, тобто по суті як описано вище при розгляді Фіг.1. Зазори сегментації 30 можуть простиратися від зовнішньої поверхні другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 26 у напрямку до зв'язуючого шару покриття 22 (наприклад, дивися Фіг.3А). У деяких варіантах здійснення винаходу зазори сегментації 30 можуть закінчуватися поблизу зв'язуючого шару покриття 22. Як описано при згадуванні Фіг.1, структурно-стабілізований матеріал (дивись Фіг.3B) може бути розташованим в зазорах сегментації 30. Як правило структурно-стабілізуючий матеріал міститься або вставляється в проміжки між сусідніми колонами першого та другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26 (наприклад дивися Фіг.3А). Крім того, знову при згадуванні Фіг.2, теплове захисне покриття 20' містить зовнішній герметизуючий шар 28 розташований на другому сегментованому колоноподібному керамічному шарі 26. Герметизуючий шар 28 може бути не сегментованим колоноподібним керамічним шаром нанесеним за умови того, що деяка кількість, якщо взагалі яка-небудь кількість зазорів сформована в шарі. У результаті герметизуючий шар 28 формує безперервне покриття на другому сегментованому колоноподібному керамічному шарі 26, що герметизує теплове захисне покриття 20' та запобігає попаданню або проникненню сторонніх матеріалів у зазори сегментації 30. Це властивість герметизуючого шару 28 може мати особливу важливість під час роботи газотурбінних двигунів наземного базування, морського та низьковисотних літакових газотурбінних двигунів, тобто в середовищах, де відкладення скляного пилу, повареної солі, сульфатів та інших забруднювачів може бути найбільш імовірно внесено в газотурбінні двигуни та можуть формуватися відкладення на покритих елементах двигунів. Такі відкладення та забруднювачі можуть руйнувати теплові захисні покриття та можуть викликати процеси ерозії та корозії основи, що підстилає, після проникнення в теплове захисне покриття. При високих температурах, яким піддається зовнішній герметизуючий шар 28, кремнезем як складова відкладень скляного пилу на поверхні герметизуючого шару 28 реагує з водяною парою, що перебуває в газоподібних продук 88876 12 тах згоряння, утворюючи сполуку Si(OH)4, що випаровується. У такий же спосіб, високі поверхневі температури сприяють випару сольових відкладень. Таким чином, теплові захисні покриття 20'/20" дійсно сприяють виключенню шкідливого скляного пилу та сольових відкладень. На Фігурі 3А демонструється поперечний переріз, що схематично представляє частину зробленого виробу 10', що являє собою збільшений вид теплового захисного покриття 20' на основі 12 відповідно до даного винаходу. Компоненти теплового захисного покриття 20' включаючи зв'язуючий шар покриття 22, перший та другий сегментований колоноподібний керамічний шар 24, 26 і герметизуючий шар 28 були описані раніше. Хоча, перший та другий сегментований колоноподібний керамічний шар 24, 26 показані як шари, які мають дискретну поверхню поділу, але зрозуміло, що поверхня поділу із плавним переходом також розглядається даним винаходом. До речі, кажучи, перший сегментований колоноподібний керамічний шар може переходити в другий колоноподібний керамічний шар через градієнт концентрації. Наприклад, перший шар стабілізованого діоксиду цирконію може переходити в другий шар стабілізованого діоксиду гафнію через градієнт концентрації, що містить суміш різних концентрацій стабілізованого діоксиду цирконію та стабілізованого діоксиду гафнію. Як метод плазмового розпилення, так і метод електронно-променевого осадження з парової фази дають можливість нанести перший та другий сегментований колоноподібний керамічний шар 24, 26 теплового захисного покриття 20'/20" або окремо як окремі шари, які мають дискретну поверхню поділу або з композиційно плавною поверхнею поділу. Сумарна товщина першого та другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26 може змінюватися відповідно до області застосування та відповідно до елемента, який необхідно покрити. В основному, сумарна товщина першого та другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26 для типового випадку перебуває в діапазоні приблизно від 3 до 100 міл, для звичайного випадку перебуває в діапазоні приблизно від 5 до 80 міл і часто перебуває в діапазоні приблизно від 10 до 60 міл. Перший та другий сегментований колоноподібний керамічний шар 24, 26 містять багато колон 32. Як показано, колони 32 розташовуються в основному паралельно один одному та перпендикулярно поверхні основи 12а. Зазори сегментації 30 простираються між сусідніми колонами 32. Частинки структурно-стабілізуючого матеріалу 40 можуть мати діаметр у діапазоні приблизно від 0,1 до 5 мікронів, за звичай можуть мати діаметр в діапазоні приблизно від 0,1 до 2 мікронів і часто можуть мати діаметр в діапазоні приблизно від 0,2 до 1 мікрона. Частинки структурно-стабілізуючого матеріалу 40 запобігають спіканню колон 32 і підтримують цілісність першого та другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26. Дана еластичність теплових захисних покриттів 20, 20' залежить від цілісності міжколонних частинок структурно-стабілізуючого матеріалу 40. Отже, 13 важливо щоб структурно-стабілізуючий матеріал 40 містив матеріал, що чинить опір спіканню при цьому є нерозчинним та також не сплавляється з першим і другим сегментованим колоноподібним керамічним шаром 24, 26 при температурах, якім піддаються відповідні шари теплового захисного покриття 20'. Як приклад: у випадку структурностабілізуючого матеріалу 40 який містить ітрій алюмінієвий окис, причому оскільки другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 зазнає більш високі робочі температури в порівнянні з першим сегментованим колоноподібним керамічним шаром 24, то сполука та товщина першого і другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26 може вибиратися так, що ітрійалюмінієвий окис не буде розчинятися в першому і другому сегментованому колоноподібному керамічному шарі 24, 26 при їх відповідних робочих температурах. Шляхом вибору прийнятної сполуки діоксиду гафнію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію для другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 26 та ітрій алюмінієвого окису як структурно-стабілізуючого матеріалу 40, теплове захисне покриття 20' може працювати при температурі поверхні щонайменше приблизно на рівні 3400 градусів за Фаренгейтом. В деяких варіантах здійснення винаходу структурно-стабілізуючий матеріал 40 може бути нанесений шляхом насичення зольгельовим розчином зазорів сегментації 30, де компоненти реакції зольгельового розчину синтезують частинки структурно-стабілізуючого матеріалу 40. Крім того, такий процес зольгельового осадження описується нижче, наприклад, при посиланні на Фігуру 4. Знову, розглядаючи Фігуру 3А видно, що герметизуючий шар 28 формує безперервне несегментоване покриття, що ефективно герметизує зовнішні торцеві частини 30а зазорів сегментації 30 та у такий спосіб запобігає попаданню забруднюючих зовнішніх матеріалів. Проникнення зовнішніх матеріалів, таких як скляний пил, поварена сіль, а також, наприклад, такого матеріалу як сульфід натрію та інших подібних матеріалів приводить до зменшення еластичності колоноподібної мікроструктури та дестабілізує відомі теплові захисні покриття, приводячи до передчасного порушення відомих покриттів. Зрозуміло, що Фігура 3А являє собою схематичне зображення теплового захисного покриття винаходу, при чому різні компоненти Фігури 3А немає необхідності малювати в масштабі. Відповідно до іншого варіанту винаходу на Фіг.3В демонструється поперечний переріз, що схематично представляє частину зробленого виробу 10", показуючи в збільшеному масштабі теплове захисне покриття 20" на основі 12. Теплове захисне покриття 20" містить зв'язуючий шар покриття 22 та єдиний сегментований колоноподібний керамічний шар 25 нанесений на зв'язуючий шар покриття 22. Зазори сегментації 30 простираються від зовнішньої поверхні сегментованого колоноподібного керамічного шару 25 у напрямку до зв'язуючого шару покриття 22. Частинки структурно-стабілізуючого матеріалу 40 осаджуються в зазори сегментації 30 більшою мірою як описано 88876 14 вище, наприклад, при згадуванні Фігури 3А. Зовнішній герметизуючий шар 28 безперервної несегментованої кераміки може осаджуватися на сегментований колоноподібний керамічний шар 25. Герметизуючий шар 28 може запобігати попаданню або проникненню зовнішніх матеріалів у теплове захисне покриття 20". Сегментований колоноподібний керамічний шар 25 може містити прийнятну кераміку у відповідності до планованих застосувань теплового захисного покриття 20". Наприклад, для ультрависоких температурних застосувань, де вага не є проблемою, сегментований колоноподібний керамічний шар 25 може бути шаром діоксиду цирконію кубічної модифікації стабілізованого діоксидом ітрію. Як альтернатива сегментований колоноподібний керамічний шар 25 може переходити від стабілізованого діоксиду цирконію до стабілізованого діоксиду гафнію через градієнт концентрації, як описано вище. Товщина сегментованого колоноподібного керамічного шару 25 може бути в тім же діапазоні або в подібному, як це згадувалося раніше при згадуванні Фігури 3А для сумарної товщини першого та другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26 тобто для типового випадку може бути приблизно від 3 до 100 міл. Згідно одного з варіантів здійснення винаходу на Фіг.4 схематично демонструється ряд етапів, що стосується методу готування теплового захисного покриття на основі. Етап 4а стосується забезпечення основи 12, яка має поверхню основи 12а, та на яку треба нанести покриття, тепловим захисним покриттям 20, 20'. Як один із прикладів основа 12 може бути керамічною основою або основою з високотемпературного сплаву, наприклад основою з високотемпературного сплаву на базі нікелю. Етап 4b стосується осадження зв'язуючого шару покриття 22 на поверхню основи 12а. Зв'язуючий шар покриття 22, може містити інтерметалічний алюмінід або сплав MCrAlY, якщо основа є основою з високотемпературного сплаву, та може бути нанесений за допомогою різних методів осадження і може бути нанесений до відповідної товщини, як описано вище. Етап 4с стосується осадження першого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24 на зв'язуючий шар покриття 22. Як показано перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 являє собою безліч колон 32, які мають безліч зазорів сегментації 30 та які розподілені та розташовані між колонами. У типовому випадку колони розташовані або орієнтовані більшою мірою перпендикулярно поверхні основи 12а. Перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 може містити діоксид цирконію стабілізований діоксидом ітрію. Відповідно до одного з варіантів здійснення винаходу перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 може містити діоксид цирконію кубічної модифікації стабілізований діоксидом ітрію, що містить приблизно від 7 до 50 молярних відсотків ітрію, звичайно містить приблизно від 10 до 50 молярних відсотків ітрію та часто містить приблизно від 10 до 40 молярних відсотків ітрію. Перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 може бути на 15 несений шляхом використання різних процесів осадження, як описано вище в даній заявці. Для типового випадку перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24 наноситися до товщини приблизно в діапазоні від 5 до 60 міл, для загальноприйнятого випадку наноситися до товщини приблизно від 15 до 50 міл і часто наноситься до товщини, приблизно від 20 до 50 міл. Етап 4d стосується осадження другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 26 на перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24. Другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 являє собою безліч колон 32, які мають безліч зазорів сегментації 30, розташованих між колонами. У типовому варіанті колони 32 другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 26 вирівнюються в такий же спосіб, як і в першому сегментованому колоноподібному керамічному шарі 24. Подібним чином у першому та другому сегментованих колоноподібних керамічних шарах 24, 26 вирівнюються зазори сегментації 30 причому зазори сегментації 30 можуть простиратися по всій довжині або майже по всій довжині колон 32. Як альтернативний варіант здійснення винаходу колони та зазори сегментації в першому та другому сегментованих колоноподібних керамічних шарах 24, 26 можуть не вирівнюватися. Другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 може містити діоксид гафнію кубічної модифікації стабілізований діоксидом ітрію. Для типового випадку другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26, що містить приблизно від 12 до 50 молярних відсотків діоксиду ітрію, звичайно містить приблизно від 15 до 50 молярних відсотків діоксиду ітрію та часто містить приблизно від 18 до 40 молярних відсотків діоксиду ітрію. Другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 може бути нанесений шляхом використання різних процесів осадження, як описано вище до товщини приблизно в діапазоні від 5 до 50 міл, а для загальноприйнятого випадку до товщини приблизно від 5 до 30 міл і для варіанта, який часто зустрічається до товщини приблизно від 5 до 30 міл. Етап 4е стосується осадження структурно-стабілізуючого матеріалу 40 у зазори сегментації 30 щонайменше другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 26. Для більш типових випадків етап 4е стосується осадження структурно-стабілізуючого матеріалу 40 у зазори сегментації 30 як першого, так і другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26. У деяких варіантах здійснення винаходу структурно-стабілізуючий матеріал 40 осаджується в зазори сегментації 30 у вигляді мікронних або субмікронних частинок ітрій алюмінієвого оксиду з високою температурою плавлення (тобто тих, які мають точку плавлення близько 3468 градусів за Фаренгейтом). В деяких варіантах здійснення винаходу частинки структурно-стабілізуючого матеріалу 40 осаджуються в зазори сегментації 30 шляхом насичення зольгельовим розчином зазорів сегментації 30. Даний зольгельовий розчин може бути інфільтрований у зазори сегментації шляхом розпилення на зовнішню поверхню вихідного теплового захис 88876 16 ного покриття або може бути нанесений методом занурення в зольгельовий розчин. Даний зольгельовий розчин може містити металоалкоголят ітрію або металоалкоголят алюмінію у відповідному розчиннику такому як, наприклад, толуол або ксилол. Такі зольгельові розчини можуть містити приблизно від 55 до 95% розчинника, а для звичайного випадку можуть містити приблизно від 60 до 95% розчинника та для частого випадку можуть містити приблизно від 60 до 95% розчинника у вагових або об'ємних частинах. Зольгельовий процес осадження частинок другої фази наводиться в патенті CШA №6,103,386, опис якого включено для повноти шляхом посилання. Склад та концентрація даного зольгельового розчину може мінятися при ретельному контролі в'язкості розчину. Для того, щоб сприяти легкому прониканню зольгельового розчину в зазори сегментації 30, в'язкість зольгельового розчину повинна бути приблизно в діапазоні від 1 до 100 сантипуаз для типового випадку, приблизно в діапазоні від 1 до 50 сантипуаз, а для звичайного випадку та для частого випадку повинна бути приблизно в діапазоні від 1 до 10 сантипуаз. Після насичення зазорів сегментації 30 зольгельовим розчином, щонайменше, частина розчину може бути вилучена до початку дії теплової обробки на вихідне теплове захисне покриття для полімеризації або структурування, а також для підвищення щільності продуктів зольгельової реакції. Така теплова обробка може бути виконана шляхом теплового впливу під час виробництва та/або під час експлуатації. Після випару рідкої фази зольгельового насичуючого розчину, аморфні або метастабільні кристалічні частинки окису такі як, наприклад частинки окису алюмінію або окису ітрію залишаються на внутрішній поверхні зазору сегментації 30. Дані осаджені частинки згодом кристалізуються до термічно стабільних фаз шляхом наступного впливу підвищених температур за звичай перевищуючих 500°С, наприклад, під час експлуатації. В одному з варіантів здійснення винаходу структурно-стабілізуючий матеріал 40 містить продукт реакції між металоалкоголятом ітрію та металоалкоголятом алюмінію, де металоалкоголят ітрію та металоалкоголят алюмінію нанесені в зазори сегментації 30 у вигляді зольгельового розчину. В одному з альтернативних варіантів здійснення винаходу структурно-стабілізуючий матеріал 40 може містити продукт реакції між зольгельовим металоалкоголятом алюмінію та одним з або більше окісних компонентів, наприклад, таких як діоксид ітрію колоноподібного керамічного шару теплового захисного покриття. Дані продукти реакції, синтезовані в зазорах сегментації 30 за допомогою зольгельового процесу, можуть містити, щонайменше, один з ітрій алюмінієвих оксидів, наприклад, таких як YAlO3, Y3Al5O12, або Y4Al2O9. Даний(-і) ітрій алюмінієвий(и) окис(-и) нормально формується у вигляді частинок мікронного або субмікронного розміру, які можуть бути сильно пов'язані з колонами 32 першого та другого сегментованого колоноподібного керамічного шару 24, 26 (див., наприклад, Фіг.3АВ). Наприклад, частинки структурно-стабілізуючого 17 матеріалу 40 можуть мати діаметр приблизно в діапазоні від 0,1 до 5 мікронів, а для загальноприйнятих випадків можуть мати діаметр приблизно в діапазоні від 0,1 до 2 мікронів і для частих випадків, можуть мати діаметр приблизно в діапазоні від 0,2 до 1 мікрона. Дана реакція зольгельових компонентів з точки зору формування структурно-стабілізуючого матеріалу 40 може управлятися шляхом регулювання зольгельового складу та параметрами теплової обробки та т.і. для того щоб сприяти процесу осадження необхідної щільності (кількість частинок на одиницю площі) і також сприяти процесу осадження необхідного розміру гранульованого структурно-стабілізуючого матеріалу 40 у зазорах сегментації 30. У деяких варіантах здійснення винаходу зольгельове насичення та теплова обробка може послідовно повторюватися для того, щоб збільшити щільність гранульованого структурно-стабілізуючого матеріалу 40 у зазорах сегментації 30. Етап 4f стосується осадження герметизуючого шару 28 на другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26. Звичайно, що герметизуючий шар 28 це безперервний, відносно щільний шар кераміки, тобто керамічний шар у якому відсутня сегментована колоноподібна мікроструктура, що має деяку кількість, якщо взагалі яку-небудь кількість зазорів 30. Герметизуючий шар 28 може бути нанесений за допомогою прийнятного процесу осадження, наприклад, такого як плазмове напилювання або електронно-променеве осадження з парової фази при умовах несприятливих для формування сегментованої колоноподібної мікроструктури. Як правило герметизуючий шар 28 може осаджуватися на другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 після осадження структурно-стабілізуючого матеріалу 40 у зазори сегментації 30. Герметизуючий шар 28 може містити діоксид гафнію кубічної модифікації стабілізований діоксидом ітрію та може мати типову товщину приблизно в межах від 0,5 до 10 міл, а також може мати звичайну товщину приблизно в межах від 0,5 до 7 міл і може мати товщину, що часто зустрічається, приблизно в межах від 0,5 до 5 міл. Одна з первинних функцій герметизуючого шару 28 це запобігання або затримка проникнення сторонніх матеріалів, які потенційно можуть визвати процес корозії, ерозії або дестабілізації теплового захисного покриття 20'. Отже, у деяких варіантах здійснення винаходу, тобто для певних застосувань у відносно чистому навколишньому середовищі як, наприклад, при використанні на великій висоті, герметизуючий шар 28 може бути опущений. Необов'язковий етап 4g стосується формування однієї або більше дірок ефузії 50 в тепловому захисному покритті 20' (дивися, наприклад Фіг.5). На Фіг.5 показаний поперечний переріз 5, що яв 88876 18 ляє собою теплове захисне покриття 20' на основі 12 відповідно до одного з варіантів винаходу. Теплове захисне покриття 20' містить шар зв'язуючого покриття 22, перший сегментований колоноподібний керамічний шар 24, другий сегментований колоноподібний керамічний шар 26 та зовнішній герметизуючий шар 28 в основному відповідно до того як описано раніше, наприклад, при розгляді Фіг.1-3. Як показано, зазори сегментації 30 простираються через перший і другий сегментований колоноподібний керамічний шар 24, 26 (відповідно до того як описано раніше, наприклад, при згадуванні Фіг.3А). Загальна типова товщина теплового захисного покриття 20' перебуває приблизно в межах від 3 до 120 міл, звичайна товщина перебуває приблизно в межах від 10 до 80 міл і товщина, яка часто зустрічається, перебуває приблизно в межах від 10 до 60 міл. Безліч дірок ефузії 50 може бути сформовано в тепловому захисному покритті 20'. За звичай дірки ефузії 50 формуються шляхом обробки на лазерному прошивальному верстаті. Формування дірок ефузії в тепловому захисному покритті за допомогою використання лазера відомо в даній області техніки. Сучасні камери згоряння мають відносно товсті теплові захисні покриття, наприклад, з товщиною приблизно в діапазоні від 20 до 60 міл, які у свою чергу можуть вимагати отворів ефузії. Однак схильність відомих теплових захисних покриттів до міжповерхневого розтріскування під час формування отворів ефузії серйозно обмежує формування отворів ефузії до тільки товщини приблизно від 10 до 20 міл. Не зв'язуючи себе теорією, Заявник вірить, що збільшена стабільність, яку демонструють теплові захисні покриття даного винаходу, дозволяють формувати отвори ефузії у відносно товстих теплових захисних покриттях без міжповерхневих розтріскувань або з мінімальними міжповерхневими розтріскуваннями на границі розділу зв'язуючого шару покриття 22 та першим сегментованим колоноподібним керамічним шаром 24. Хоча на Фіг.5 показаний єдиний отвір ефузії 50, звичайно на практиці безліч отворів ефузії 50 розподіляється по поверхні теплового захисного покриття 20' наприклад, щільність може бути приблизно від 10 до 100 отворів на квадратний дюйм а також часто може бути приблизно від 20 до 50 отворів на квадратний дюйм. Для типового випадку отвори ефузії 50 формуються під кутом приблизно від 10° до 30°, а для частого варіанту отвори формуються під кутом приблизно 20° до поверхні основи 12а. Звичайно, однак, варто зрозуміти, що вищезгадане відноситься до кращого варіанта здійснення винаходу та варто зрозуміти, що модифікації можуть мати місце в межах суті та об'єму винаходу, який визначений прикладеною формулою винаходу. 19 88876 20 21 88876 22 23 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 88876 Підписне 24 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601