Стійкий до сколювання металевий виріб (варіанти), спосіб зменшення сколювання в металевих виробах

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Стійкий до сколювання металевий виріб, який включає металеву основу;

принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр і включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію;

керамічне зв'язувальне покриття між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, причому керамічне зв'язувальне покриття складається зі стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію (YSZ); та

шар термічно вирощеного оксиду (TGO), розташований між металевою основою та керамічним зв'язувальним покриттям, причому шар термічно вирощеного оксиду (TGO) знаходиться в контакті з поверхнею металевої основи.

2. Виріб за п. 1, у якому металева основа вибрана з групи, яка складається зі сталей, суперсплавів, титанових сплавів та мідних сплавів.

3. Виріб за п. 1, у якому керамічне зв'язувальне покриття має товщину приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті - приблизно 0,0254 мм.

4. Виріб за п. 1, що має зовнішнє керамічне покриття, нанесене на зовнішню поверхню принаймні одного керамічного покриття, яке створює термічний бар'єр, де зазначене зовнішнє керамічне покриття включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Sm, La, Yb, Ce, Lu, Mo, оксидів рідкісноземельних елементів, ітрію, скандію, індію та їх комбінацій.

5. Виріб за п. 1, що має принаймні два керамічні покриття, які створюють термічний бар'єр, та має керамічний шар, розташований між принаймні двома зазначеними керамічними покриттями, що створюють термічний бар'єр, де керамічний шар складається з YSZ.

6. Виріб за п. 5, у якому керамічний шар має товщину приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті - приблизно 0,0254 мм.

7. Виріб за п. 1, у якому вищезгадане принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, нанесене за допомогою способу, вибраного з групи, яка складається з термічного напилення, розпилення та осадження з парової фази за допомогою електронного променя (EBPVD), причому вищезгадане принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, має теплопровідність, меншу, ніж приблизно 1,5 W/m°C.

8. Виріб за п. 1, який відрізняється тим, що являє собою компонент газотурбінного двигуна.

9. Виріб за п. 1, який додатково включає шар металевого зв'язувального покриття, розташований між шаром TGO та металевою основою.

10. Виріб за п. 9, у якому металеве зв'язувальне покриття виконане з матеріалу, вибраного з групи, яка включає матеріал типу "оверлей" (MCrAlY) та алюмінід, причому металева основа виконана з суперсплаву на основі нікелю, здатного утворювати шар оксиду алюмінію.

11. Спосіб зменшення сколювання в металевих виробах, у якому

виготовляють металеву основу,

наносять на металеву основу принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний

бар'єр і включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію,

наносять між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, керамічне зв'язувальне покриття, яке складається зі стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію (YSZ), та

між металевою основою та керамічним зв'язувальним покриттям наносять шар термічно вирощеного оксиду (TGO), причому шар термічно вирощеного оксиду (TGO) знаходиться в контакті з поверхнею металевої основи.

12. Спосіб за п. 11, у якому керамічне зв'язувальне покриття наносять з товщиною приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті - приблизно 0,0254 мм.

13. Спосіб за п. 11, у якому металеву основу виготовляють з матеріалу, вибраного з групи, яка складається зі сталей, суперсплавів, титанових сплавів та мідних сплавів.

14. Спосіб за п. 11, у якому на зовнішню поверхню принаймні одного керамічного

покриття, яке створює термічний бар'єр, додатково наносять зовнішнє керамічне покриття, що включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Y, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію, індію та їх комбінацій.

15. Спосіб за п. 11, у якому наносять принаймні два керамічні покриття, які створюють термічний бар'єр, та додатково наносять керамічний шар між двома зазначеними керамічними покриттями, що створюють термічний бар'єр, де керамічний шар складається з YSZ.

16. Спосіб за п. 15, у якому вищезгаданий керамічний шар наносять з товщиною приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті - приблизно 0,0254 мм.

17. Спосіб за п. 11, у якому вищезгадане керамічне покриття, що створює термічний бар'єр, наносять на вищезгадану металеву основу за допомогою способу, вибраного з групи, яка складається з термічного напилення, розпилення та осадження з парової фази за допомогою електронного променя (EBPVD).

18. Спосіб за п. 11, у якому на металеву основу наносять принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, що має теплопровідність, меншу, ніж приблизно 1,5 W/m°C.

19. Стійкий до сколювання металевий виріб, який включає

металеву основу;

принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, що включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Се, Pr, Sm, Eu, Tb, Ho, Tm, Lu, Sc, In, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію;

керамічне зв'язувальне покриття між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, причому керамічне зв'язувальне покриття складається зі стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію (YSZ);

шар термічно вирощеного оксиду (TGO), розташований між металевою основою та керамічним зв'язувальним покриттям, і

шар металевого зв'язувального покриття між шаром TGO та металевою основою.

20. Виріб за п. 19, у якому металева основа вибрана з групи, яка складається зі сталей, суперсплавів, титанових сплавів та мідних сплавів.

21. Виріб за п. 19, у якому керамічне зв'язувальне покриття має товщину приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті - приблизно 0,0254 мм.

22. Виріб за п. 19, що має зовнішнє керамічне покриття, нанесене на зовнішню поверхню принаймні одного керамічного покриття, яке створює термічний бар'єр, де зазначене зовнішнє керамічне покриття включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Sm, La, Yb, Ce, Lu, Mo, оксидів рідкісноземельних елементів, ітрію, скандію, індію та їх комбінацій.

23. Виріб за п. 19, що має принаймні два керамічні покриття, які створюють термічний бар'єр, та має керамічний шар, розташований між принаймні двома зазначеними керамічними покриттями, що створюють термічний бар'єр, де керамічний шар складається з YSZ.

24. Виріб за п. 23, у якому вищезгаданий керамічний шар має товщину приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті - приблизно 0,0254 мм.

25. Виріб за п. 19, у якому вищезгадане принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, нанесене за допомогою способу, вибраного з групи, яка складається з термічного напилення, розпилення та осадження з парової фази за допомогою електронного променя (EBPVD), причому вищезгадане принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, має теплопровідність, меншу, ніж приблизно 1,5 W/m°C.

26. Виріб за п. 19, який відрізняється тим, що являє собою компонент газотурбінного двигуна.

27. Виріб за п. 19, у якому металеве зв'язувальне покриття виконане з матеріалу, вибраного з групи, яка включає матеріал типу "оверлей" (MCrAlY) та алюмінід, причому металева основа виконана з суперсплаву на основі нікелю, здатного утворювати шар оксиду алюмінію.

Текст

1. Стійкий до сколювання металевий виріб, який включає металеву основу; принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр і включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію; керамічне зв'язувальне покриття між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, причому керамічне зв'язувальне покриття складається зі стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію (YSZ); та шар термічно вирощеного оксиду (TGO), розташований між металевою основою та керамічним зв'язувальним покриттям, причому шар термічно вирощеного оксиду (TGO) знаходиться в контакті з поверхнею металевої основи. 2. Виріб за п. 1, у якому металева основа вибрана з групи, яка складається зі сталей, суперсплавів, титанових сплавів та мідних сплавів. (ВАРІАНТИ), (11) 1 ВИРІБ UA (54) СТІЙКИЙ ДО СКОЛЮВАННЯ МЕТАЛЕВИЙ СКОЛЮВАННЯ В МЕТАЛЕВИХ ВИРОБАХ (19) ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ 3 10. Виріб за п. 9, у якому металеве зв'язувальне покриття виконане з матеріалу, вибраного з групи, яка включає матеріал типу "оверлей" (MCrAlY) та алюмінід, причому металева основа виконана з суперсплаву на основі нікелю, здатного утворювати шар оксиду алюмінію. 11. Спосіб зменшення сколювання в металевих виробах, у якому виготовляють металеву основу, наносять на металеву основу принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр і включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію, наносять між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, керамічне зв'язувальне покриття, яке складається зі стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію (YSZ), та між металевою основою та керамічним зв'язувальним покриттям наносять шар термічно вирощеного оксиду (TGO), причому шар термічно вирощеного оксиду (TGO) знаходиться в контакті з поверхнею металевої основи. 12. Спосіб за п. 11, у якому керамічне зв'язувальне покриття наносять з товщиною приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті приблизно 0,0254 мм. 13. Спосіб за п. 11, у якому металеву основу виготовляють з матеріалу, вибраного з групи, яка складається зі сталей, суперсплавів, титанових сплавів та мідних сплавів. 14. Спосіб за п. 11, у якому на зовнішню поверхню принаймні одного керамічного покриття, яке створює термічний бар'єр, додатково наносять зовнішнє керамічне покриття, що включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Y, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію, індію та їх комбінацій. 15. Спосіб за п. 11, у якому наносять принаймні два керамічні покриття, які створюють термічний бар'єр, та додатково наносять керамічний шар між двома зазначеними керамічними покриттями, що створюють термічний бар'єр, де керамічний шар складається з YSZ. 16. Спосіб за п. 15, у якому вищезгаданий керамічний шар наносять з товщиною приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті приблизно 0,0254 мм. 17. Спосіб за п. 11, у якому вищезгадане керамічне покриття, що створює термічний бар'єр, наносять на вищезгадану металеву основу за допомогою способу, вибраного з групи, яка складається з термічного напилення, розпилення та осадження з парової фази за допомогою електронного променя (EBPVD). 18. Спосіб за п. 11, у якому на металеву основу наносять принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, що має 80723 4 теплопровідність, меншу, ніж приблизно 1,5 W/m°C. 19. Стійкий до сколювання металевий виріб, який включає металеву основу; принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, що включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Се, Pr, Sm, Eu, Tb, Ho, Tm, Lu, Sc, In, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію; керамічне зв'язувальне покриття між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, причому керамічне зв'язувальне покриття складається зі стабілізованого оксидом ітрію діоксиду цирконію (YSZ); шар термічно вирощеного оксиду (TGO), розташований між металевою основою та керамічним зв'язувальним покриттям, і шар металевого зв'язувального покриття між шаром TGO та металевою основою. 20. Виріб за п. 19, у якому металева основа вибрана з групи, яка складається зі сталей, суперсплавів, титанових сплавів та мідних сплавів. 21. Виріб за п. 19, у якому керамічне зв'язувальне покриття має товщину приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті - приблизно 0,0254 мм. 22. Виріб за п. 19, що має зовнішнє керамічне покриття, нанесене на зовнішню поверхню принаймні одного керамічного покриття, яке створює термічний бар'єр, де зазначене зовнішнє керамічне покриття включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з Sm, La, Yb, Ce, Lu, Mo, оксидів рідкісноземельних елементів, ітрію, скандію, індію та їх комбінацій. 23. Виріб за п. 19, що має принаймні два керамічні покриття, які створюють термічний бар'єр, та має керамічний шар, розташований між принаймні двома зазначеними керамічними покриттями, що створюють термічний бар'єр, де керамічний шар складається з YSZ. 24. Виріб за п. 23, у якому вищезгаданий керамічний шар має товщину приблизно від 0,0127 до 0,0762 мм, в оптимальному варіанті приблизно 0,0254 мм. 25. Виріб за п. 19, у якому вищезгадане принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, нанесене за допомогою способу, вибраного з групи, яка складається з термічного напилення, розпилення та осадження з парової фази за допомогою електронного променя (EBPVD), причому вищезгадане принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, має теплопровідність, меншу, ніж приблизно 1,5 W/m°C. 26. Виріб за п. 19, який відрізняється тим, що являє собою компонент газотурбінного двигуна. 27. Виріб за п. 19, у якому металеве зв'язувальне покриття виконане з матеріалу, вибраного з групи, яка включає матеріал типу "оверлей" (MCrAlY) та алюмінід, причому металева основа виконана з 5 суперсплаву на основі 80723 нікелю, здатного Цей винахід стосується керамічних матеріалів для покрить, які створюють термічний бар'єр і які наносять на металеві деталі, причому між деталлю та покриттям розташовується проміжний шар стабілізованого діоксиду цирконію. Газотурбінні двигуни є високотехнологічними механізмами для перетворення хімічної потенційної енергії, у формі палива, на теплову енергію, а потім на механічну енергію для застосування у двигунах літальних апаратів, генерації електроенергії, закачування рідин і т. ін. У даний час головним доступним засобом поліпшення ефективності газотурбінних двигунів є застосування більш високих робочих температур. Однак металеві матеріали, які застосовують у газотурбінних двигунах, у наш час працюють в у мовах, максимально наближених до верхньої межі їх термічної стійкості. У найгарячішій частині сучасних газотурбінних двигунів металеві матеріали застосовують при температурах газу, які перевищують їх точку плавлення. Вони зберігаються завдяки повітряному охолодженню. Однак повітряне охолодження знижує ефективність двигуна. Відповідно, ведеться широка розробка покрить, які створюють термічний бар'єр, для застосування з охолодженим газотурбінним обладнанням літальних апаратів. Завдяки застосуванню покриття, яке створює термічний бар'єр (ТВС), кількість потрібного охолоджувального повітря може бути значно зменшена, а це забезпечує відповідне підвищення ефективності. Традиційне ТВС, яке застосовують для захисту деталей газотурбінного двигуна, включає 59% мас. Gd2O3 - 41 ZrO2. Забезпечуючи низьку теплопровідність, такі ТВС на основі Gd-Zr можуть мати нижчу стійкість до сколювання, ніж традиційний стабілізований ітрієм діоксид цирконію, наприклад, 7YSZ. Вважають, що причиною цієї сприйнятливості до сколювання є низька в'язкість руйнування, характерна для систем Gd-Zr. У свою чергу, було виявлено, що включення первісного, тонкого шару (номінально 0,5-1міл) іншого стабілізованого діоксиду цирконію, наприклад, 7YSZ, підвищує стійкість до сколювання систем Gd-Zr. Хоча й не є цілком зрозумілою, така підвищена стійкість до сколювання, очевидно, викликається високою в'язкістю руйнування, яку має 7YSZ, що дозволяє йому витримувати напруження, яке виникає на межі ТВС/зв'язувального покриття (тобто шару глинозему). Інший можливий сприятливий вплив прошарку 7YSZ, очевидно, є пов'язаним з виключенням потенційно руйнівної взаємодії між оксидом гадолінію та окалиною з глинозему, яка утворюється на поверхні основного сплаву або зв'язувального покриття. Незалежно від робочого механізму, було продемонстровано, що додавання тонкого прошарку 7YSZ компенсує низьку в'язкість утворювати 6 шар оксиду алюмінію. руйнування ТВС на основі Gd-Zr таким чином, щоб підвищити стійкість до сколювання. Крім стійкості до сколювання, також існує потреба в одержанні ТВС, яке має стійкість до ерозії. Ерозія відбувається, коли тонкі частинки, які вбираються або вивільнюються двигуном, ударяються об ТВС на дуже високій швидкості під час роботи двигуна. Це призводить до стирання ТВС з його поверхні. Як правило, лише дуже дрібні частинки ТВС відколюються від таких ударів, оскільки лише тонкі частинки потрапляють у турбіну, а великі частинки викидаються відцентровою силою в компресорі. Такі явища ерозії вивільнюють дрібні шматки ТВС щоразу, невеликою мірою зменшуючи товщину ТВС у відповідних місцях. ТВС з низькою теплопровідністю (такі як 59 Gd-Zr), які мають нижчу в'язкість руйнування, є більш схильними до ерозії. Однак, хоча ТВС на основі Gd-Zrs, зокрема, 59% мас. Gd2O3 - 41 ZrO2, мають відносно низькі коефіцієнти теплопровідності, існує потреба у ТВС, які мають ще нижчу теплопровідність. Такі ТВС можуть мати меншу стійкість до сколювання та ерозії, ніж існуючі системи. Така стійкість до сколювання ідеально виявляє себе як у стійкості ТВС до відокремлення від деталі, на яку його нанесено, а також стійкість різних шарів, з яких складається ТВС, до відокремлення один від одного. Взагалі, металеві матеріали мають коефіцієнти теплового розширення, які перевищують показники керамічних матеріалів. Таким чином, розв'язання однієї з проблем у процесі розробки потрібних покрить, які створюють термічний бар'єр, полягає в забезпеченні якомога більшої відповідності коефіцієнта теплового розширення керамічного матеріалу показникові металевої основи, щоб після нагрівання, коли основа розширюється, матеріал керамічного покриття не розтріскувався. Діоксид цирконію має високий коефіцієнт теплового розширення, і це є основною причиною успішного застосування діоксиду цирконію як матеріалу термічного бар'єра на металевих основах. Незважаючи на нинішнє успішне застосування ґрунтового покриття з осадженого з парової фази за допомогою електронного променя діоксиду цирконію, все ж існує потреба у поліпшених покриттях, які мають кращі теплоізоляційні властивості, зокрема, таких, що мають поліпшені ізоляційні властивості у нормалізованому до густини покриття стані. Маса завжди є ключовим чинником при конструюванні газотурбінних двигунів, особливо, обертальних частин. Керамічні покриття, які створюють термічний бар'єр, не є матеріалами, які несуть навантаження, а отже, вони збільшують масу, не збільшуючи міцність. Існує велика потреба в керамічному матеріалі, який створює термічний бар'єр і який мінімально 7 збільшує масу, забезпечуючи максимальну теплоізоляційну здатність. Крім того, зазвичай існує потреба у тривалому терміні служби, стійкості, економічності, тощо. Таким чином, існує потреба у вкритій деталі, яка включає покриття, яке створює термічний бар'єр і забезпечує нижчу теплопровідність, але має прийнятну стійкість до сколювання. Відповідно, мета даного винаходу полягає в забезпеченні керамічних матеріалів для покриття, що створюють термічний бар'єр, які наносять на металеві деталі, у яких між деталлю та покриттям розташовується проміжний шар 7YSZ для збільшення стійкості покриття до сколювання. Згідно з даним винаходом стійкий до сколювання металевий виріб включає металеву основу, принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр і включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Y, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію, та керамічне зв'язувальне покриття, розташоване принаймні на частині основи і між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, причому керамічне зв'язувального покриття складається зі стабілізованого ітрієм діоксиду цирконію (YSZ). В іншому аспекті даного винаходу стійкий до сколювання металевий виріб включає принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр, який має теплопровідність, меншу, ніж приблизно 1,5W/m°C. В іншому аспекті даного винаходу спосіб зменшення сколювання в металевих виробах включає етапи забезпечення металевої основи, вкривання металевої основи принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр і включає основу з діоксиду цирконію та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Y, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію, і поміщення керамічного зв'язувального покриття між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, причому керамічне зв'язувальне покриття складається зі стабілізованого ітрієм діоксиду цирконію (YSZ). В іншому аспекті даного винаходу стійкий до сколювання металевий виріб включає металеву основу, принаймні одне керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр і включає основу з діоксиду цирконію, та принаймні один інший елемент, вибраний з групи, яка складається з La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tin, Yb, Lu, Sc, In, Y, Mo та С, оксидів рідкісноземельних елементів, скандію та індію, керамічне зв'язувальне покриття між металевою основою та принаймні одним керамічним покриттям, яке створює термічний бар'єр, причому керамічне зв'язувальне покриття складається зі стабілізованого ітрієм діоксиду цирконію (YSZ), шару термічно вирощеного оксиду (TGO), 80723 8 розташованого між металевою основою та керамічним зв'язувальним покриттям, та шару металевого зв'язувального покриття між шаром TGO та металевою основою. Деталі інших варіантів втілення винаходу викладено на супровідних фігурах та у представленому нижче описі. Інші особливості, цілі та переваги винаходу стануть зрозумілими з опису та фігур, а також з формули винаходу. Короткий опис фігур Фіг. 1 описує шар керамічного зв'язувального покриття, розташований між керамічним покриттям та металевою основою згідно з даним винаходом. Фіг.2 описує шар керамічного зв'язувального покриття, розташований між керамічним покриттям та покриттям з термічно вирощеного оксиду (TGO) згідно з даним винаходом. Фіг.3 описує варіант втілення даного винаходу, у якому наносять зовнішнє керамічне покриття. Фіг.4 описує варіант втілення даного винаходу, у якому керамічний шар YSZ розташовується між двома керамічними покриттями, які створюють термічний бар'єр. Фіг.5 описує шар металевого зв'язувального покриття, розташований між покриттям TGO та металевою основою згідно з даним винаходом. Однакові номери та позначення на різних фігурах означають однакові елементи. Таким чином, завданням даного винаходу є забезпечення металевого виробу, який має металеву основу, в оптимальному варіанті компонента газотурбінного двигуна, який включає керамічне покриття, яке створює термічний бар'єр (ТВС), та керамічне зв'язувального покриття зі стабілізованого діоксиду цирконію, розташоване між керамічним ТВС та металевою основою. Оптимальним керамічним зв'язувальним покриттям є 7YSZ, хоча може бути застосований інший стабілізований ітрієм діоксид цирконію, наприклад, стабілізований діоксид цирконію, який включає приблизно 1-20 мас. % ітрію. Керамічне ТВС в усіх випадках включає основу з діоксиду цирконію, до якої додають один або кілька з таких елементів La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, In, Y, Mo та С, оксиди рідкісноземельних елементів, скандію та індію, причому елементи є присутніми у кількості 1 - 50, в оптимальному варіанті - 2 – 40 молярних % оксиду М203, де Μ означає вищеперелічені елементи. Стабілізований ітрієм діоксид цирконію (YSZ) має потрібну механічну цілісність, що дозволяє йому витримувати напруження, яке виникає, коли металевий виріб, на який його наносять, піддається термічному циклові. В результаті керамічне зв'язувальне покриття YSZ діє як стабілізуючий місток між металевим виробом та керамічним ТВС, таким чином, збільшуючи стійкість керамічного ТВС до сколювання. На Фіг.1 показано конфігурацію металевої деталі 10 згідно з даним винаходом, яка складається з металевої основи 11, яка утворює металевий виріб, керамічного ТВС та керамічного зв'язувального покриття. Виріб також може мати металеве зв'язувальне покриття між основою та керамічним зв'язувальним покриттям, таке як 9 верхнє (MCrAlY) зв'язувальне покриття або алюмінід, який також може включати дорогоцінний метал. В альтернативному варіанті основа може включати матеріал, здатний до утворення клейкого шару глинозему, а отже, не потребує металевого зв'язувального покриття. Металева основа 11 утворює деталь, яка підлягає вкриванню керамічним ТВС 15. В оптимальному варіанті металеву основу 11 формують зі сталей, суперсплавів, титанових сплавів та мідних сплавів. Як було зазначено, шар керамічного зв'язувального покриття 13, який складається зі стабілізованого ітрієм діоксиду цирконію (YSZ), осаджують на зовнішній поверхні металевої основи 11. Шар керамічного зв'язувального покриття 13 в оптимальному варіанті має товщину від 0,5 до 3міл, у найкращому варіанті - приблизно один міл. Так само керамічне ТВС наносять на зовнішній шар керамічного шару зв'язувального покриття 13. Керамічне ТВС 15 наносять на шар керамічного зв'язувального покриття 13 різними способами. До цих способів належать, крім інших, способи термічного напилення, наприклад, плазмове напилення у повітрі (APS), плазмове напилення під зниженим тиском (LPPS), способи високошвидкісного і високотемпературного напилення (HVOF), через детонаційні гармати (D Gun) та розпилення. Оптимальний спосіб осадження керамічного ТВС 15 включає осадження з парової фази за допомогою електронного променя (EBPVD). Застосування EBPVD дає певні переваги, оскільки застосування EBPVD створює структуру, придатну для екстремальних температур і, таким чином, є більш придатним для вкривання гарячих частин компонентів турбіни. Процес термічного напилення забезпечує перевагу вкривання великих компонентів складної форми і є більш придатним для вкривання таких компонентів, як камери згоряння. У газових турбінах задня сторона 19 металевої основи 11 охолоджується охолоджувальним повітрям (не показано), і зовнішня поверхня 21 керамічного ТВС 15 піддається дії підвищених температур. Тепловий потік тече від зовнішньої поверхні 21 до охолодженої задньої сторони 19, і кількість теплового потоку значно зменшується керамічним ТВС 15. На ФІГ. 2 пояснюється альтернативний варіант втілення металевої деталі 10 згідно з даним винаходом. Металева деталь 10 збільшується через додавання термічно вирощеного оксиду (TGO) 17, розташованого між металевою основою 11 та шаром керамічного зв'язувального покриття 13. Як і в попередньому разі, товщина шару керамічного зв'язувального покриття 13 в оптимальному варіанті становить від приблизно 0,5 до 3,0міл, у найкращому варіанті - приблизно 1,0міл. На Фіг.5 пояснюється альтернативний варіант втілення, у якому шар металевого зв'язувального покриття 51 нанесений між металевою основою 11 та шаром керамічного зв'язувального покриття 13. 80723 10 Шар металевого зв'язувального покриття 51 складається з покриття, що містить алюміній. Склад цього металевого покриття вибирають таким чином, щоб під час роботи на металевому зв'язувальному покритті утворювався суцільний тонкий повільно зростаючий шар оксиду алюмінію. Цей оксид алюмінію є загальновідомим серед спеціалістів як термічно вирощений оксид або TGO. Типові шари металевого зв'язувального покриття 51 включають верхні покриття NiCoCrAlY, осаджені шляхом APS, LPPS, за допомогою катодної дуги та інших способів, а також покриття (Ni, Pt)Al, утворені шляхом гальванопокриття Pt з наступним паровим покриттям NiAl та дифузійною термічною обробкою покрить для утворення (Ni, Pt)Al. Як було зазначено вище, за відсутності шару металевого зв'язувального покриття 51 шар TGO 17 утворюється між металевою основою 11 та шаром керамічного зв'язувального покриття 13. У системах з шарами металевого зв'язувального покриття 51 цей шар TGO 17 утворюється між шарами металевого зв'язувального покриття 51 та шаром керамічного зв'язувального покриття 13. Товщина шару TGO 17 зазвичай становить 0,1 0,5 мікронів на вкритій керамікою деталі і у процесі роботи зростає до товщини 10 мікронів. Шар TGO 17 відповідає за забезпечення деталі з суперсплаву, яка має стійкість до окиснення, оскільки кисень дифундує крізь оксид алюмінію дуже повільно. На Фіг.3 пояснюється альтернативний варіант втілення металевої деталі 10 згідно з даним винаходом. Крім нанесення проміжного шару керамічного зв'язувального покриття 13, яке складається з 7YSZ між керамічним ТВС 15 та металевої основи 11, додатково наносять зовнішнє керамічне покриття 31. Зовнішнє керамічне покриття 31 утворює крайнє зовнішнє покриття металевої основи 11. Складаючись із YSZ, зовнішнє керамічне покриття 31 має характерну для нього добру механічну цілісність і служить для подальшого збільшення стійкості до сколювання у разі напружень, яких зазнає металева деталь 10 під час роботи. Крім того, зовнішнє керамічне покриття 31 зменшує схильність крайньої зовнішньої поверхні металевої деталі 10 до ерозії. Зовнішнє керамічне покриття 31 в оптимальному варіанті має товщину від приблизно 0,5 до 3,0 міл, у ще кращому варіанті приблизно 1,0міл. На Фіг.4 пояснюється альтернативний варіант втілення металевої деталі 10 згідно з даним винаходом, у якій принаймні два шари керамічного ТВС 15, 15' нанесено на металеву основу 11, тобто на шар керамічного зв'язувального покриття 13, який відокремлює металеву основу 11 від керамічних ТВС 15, 15'. Відокремлює два керамічні ТВС 15, 15' керамічний шар 33, який складається з YSZ. Керамічний шар 33, який складається з YSZ, в оптимальному варіанті - 7YSZ, між двома керамічними ТВС 15 служить для збільшення механічної цілісності, з якою керамічні ТВС 15, 15' приєднуються один до одного. В результаті забезпечується загальне збільшення стійкості різних керамічних ТВС 15, 15' до сколювання. 11 Керамічний шар 33 в оптимальному варіанті має товщину від 0,5 до 3.0 міл, у найкращому варіанті приблизно 1,0міл. Здійснювали випробування покриття шляхом EBPVD з застосуванням двох електроннопроменевих гармат, у якому різні композиції наносили на металеву основу 11 для утворення керамічного термічного бар'єру. Стійкість до сколювання вимірювали для кожної композиції таким чином, щоб отримати базове значення для сколювання кожної композиції. Потім керамічне зв'язувальне покриття YSZ, зокрема, зв'язувальне покриття 7YSZ, яке має товщину приблизно 1 міл, розташовували між металевою основою 11 та керамічним термічним бар'єром. Стійкість до сколювання знову вимірювали і порівнювали з базовими значеннями. Композиції, які включають ТВС, нанесені шляхом EBPVD, та спосіб, яким їх утворюють є такими: - 7YSZ з шаром Мо (одна гармата постійно випарює 7YSZ, інша переходить від 7YSZ до Мо). - 7YSZ з рівномірним Мо (одна гармата постійно випарює 7YSZ, інша постійно випарює Мо). - 7YSZ з шаром С (одна гармата постійно випарює 7YSZ, інша переходить від 7YSZ до С). - 7YSZ з рівномірним С (одна гармата постійно випарює 7YSZ, інша постійно випарює С). - 59 GdZr з шаром Мо (одна гармата постійно випарює 59 GdZr, інша переходить від 59 GdZr до Мо). - 59 GdZr з рівномірним Мо (одна гармата постійно випарює 59 GdZr, інша постійно випарює Мо). - 59 GdZr з шаром С (одна гармата постійно випарює 59 GdZr, інша переходить від 7YSZ до С). - 59 GdZr з рівномірним С (одна гармата постійно випарює 59 GdZr, інша постійно випарює С). В усіх випадках застосування шару керамічного зв'язувального покриття з чистого 7YSZ приблизно 1міл завтовшки поліпшувало стійкість до сколювання до рівноцінної або кращої за базове значення. Виміряна стійкість до сколювання композицій, зміцнених шаром керамічного зв'язувального покриття 7YSZ, становила від 150 до 300 годин. Було описано один або кілька варіантів втілення даного винаходу. Незважаючи на це, слід розуміти, що існує можливість різних модифікацій без відхилення від сутності та обсягу винаходу. Відповідно, інші варіанти втілення охоплюються обсягом представленої нижче формули винаходу. 80723 12 13 80723 14

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Chipping-resistant metal article (variants), method for reduction of chipping in metal articles

Автори англійською

Ulion Nicholas E., Trubelja Mladen F., Maloney Michael J., Litton David A.

Назва патенту російською

Стойкое к скалыванию металлическое изделие (варианты), способ уменьшения скалывания в металлических изделиях

Автори російською

Улион Николас Е., Трабелья Младен Ф., Мелони Майкл Дж., Литтон Дэвид А.

МПК / Мітки

МПК: C23C 4/06, C23C 4/08, C23C 4/04, F01D 5/28, B32B 15/04, C23C 14/00, C23C 28/00

Мітки: спосіб, варіанти, зменшення, виробах, виріб, металевій, сколювання, стійкий, металевих

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/7-80723-stijjkijj-do-skolyuvannya-metalevijj-virib-varianti-sposib-zmenshennya-skolyuvannya-v-metalevikh-virobakh.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Стійкий до сколювання металевий виріб (варіанти), спосіб зменшення сколювання в металевих виробах</a>

Подібні патенти