Металева деталь (варіанти), спосіб її виготовлення (варіанти)та матеріал для термобар’єрного покриття металевої деталі

1 Металева деталь, що містить металеву основу і термобар'єрне керамічне покриття, яка відрізняється тим, що термобар'єрне керамічне покриття має структуру кубічного пірохлору 2 Металева деталь за п 1, яка відрізняється тим, що основу виготовлено з металу, який вибрано з групи, що складається з сталі, жароміцних сплавів, сплавів титану та сплавів МІДІ 3 Металева деталь за п 1 або п 2, яка відрізняється тим, що термобар'єрне керамічне покриття виготовлено з пірохлору формули А2В2О7, при цьому типові радіуси ІОНІВ А та В вибрані в межах області існування кубічної структури 4 Металева деталь за будь-яким з попередніх пп 1-3, яка відрізняється тим, що складова В у формулі пірохлору - це Hf, Ті, Zr та їхні монофазні суміші 5 Металева деталь за будь-яким з попередніх пп 1-4, яка відрізняється тим, що складова А у формулі пірохлору - це La, Gd, Y та їхні монофазні суміші 6 Металева деталь за будь-яким з попередніх пп 1-5, яка відрізняється тим, що вільна поверхня термобар'єрного керамічного покриття розташована на згаданій металевій деталі з боку, який при використанні деталі буде нагріватися, а вільна поверхня основи розташована на згаданій металевій деталі з боку, який при використанні деталі буде охолоджуватися 7 Металева деталь за будь-яким з попередніх пп 1-6, яка відрізняється тим, що термобар'єрне керамічне покриття має колончасту мікроструктуру 8 Металева деталь за п 1, яка відрізняється тим, що вона на своїй ЗОВНІШНІЙ поверхні має шар оксиду, і термобар'єрне керамічне покриття з структурою кубічного пірохлору з'єднане з шаром оксиду, при цьому згаданий оксид - це оксид алюмінію 9 Металева деталь за п 8, яка відрізняється тим, що основу виготовлено з металу, який вибрано з групи, що складається з сталі, жароміцних сплавів, сплавів титану та сплавів МІДІ 10 Металева деталь за п 8 або п 9, яка відрізняється тим, що термобар'єрне керамічне покриття виготовлено з пірохлору формули А2В2О7, при цьому типові радіуси ІОНІВ А та В вибрані в межах області існування кубічної структури 11 Металева деталь за будь-яким з попередніх пп 8-10, яка відрізняється тим, що складова В у формулі пірохлору - це Hf, Ті, Zr та їхні монофазні суміші 12 Металева деталь за будь-яким з попередніх пп 8-11, яка відрізняється тим, що складова А у формулі пірохлору- це La, Gd, Ута їхні монофазні суміші 13 Металева деталь за будь-яким з попередніх пп 8-12, яка відрізняється тим, що вільна поверхня термобар'єрного керамічного покриття розташована на згаданій металевій деталі з боку, який при використанні деталі буде нагріватися, а вільна поверхня основи розташована на згаданій металевій деталі з боку, який при використанні деталі буде охолоджуватися 14 Металева деталь, що містить металеву основу і термобар'єрне керамічне покриття, яка відрізняється тим, що вона містить покриття основи, яке утворює оксид алюмінію на його поверхні, а термобар'єрне керамічне покриття виготовлено з пірохлору та воно зв'язане зі згаданим покриттям основи 15 Металева деталь за п 14, яка відрізняється тим, що згадане покриття основи містить металеве зв'язувальне покриття, що утворює оксид алюмінію 16 Металева деталь за п 14, яка відрізняється тим, що згадане покриття основи містить дифузне алюмінідне покриття О о 00 44780 4 17 Металева деталь за будь-яким з попередніх 29 Спосіб за будь-яким з попередніх пп 22-28, пп 14-16, яка відрізняється тим, що термобар'єякий відрізняється тим, що на зовнішню поверхрне керамічне покриття виготовлено з пірохлору ню згаданої металевої деталі наносять шар оксиформули А2В2О7, де складова В - це Hf, Ті, Zr та ду, а термобар'єрне керамічне покриття з структуїхні монофазні суміші рою кубічного пірохлору з'єднують з шаром оксиду, при цьому згаданий оксид - це оксид алю18 Металева деталь за будь-яким з попередніх мінію пп 14-17, яка відрізняється тим, що термобар'єрне керамічне покриття виготовлено з пірохлору 30 Спосіб виготовлення металевої деталі, який формули А2В2О7, де складова А - це La, Gd, Y та містить нанесення термобар'єрного керамічного їхні монофазні суміші покриття принаймні на частину металевої основи, який відрізняється тим, що термонапилюванням 19 Металева деталь за будь-яким з попередніх наносять термобар'єрне керамічне покриття, яке пп 14-18, яка відрізняється тим, що вільна помає структуру кубічного пірохлору верхня термобар'єрного керамічного покриття розташована на згаданій металевій деталі з боку, 31 Спосіб виготовлення металевої деталі за п ЗО, який при використанні деталі буде нагріватися, а який відрізняється тим, що основу виготовлено з вільна поверхня основи розташована на згаданій металу, який вибрано з групи, що складається з металевій деталі з боку, який при використанні сталі, жароміцних сплавів, сплавів титану та спладеталі буде охолоджуватися вів МІДІ 20 Металева деталь за будь-яким з попередніх 32 Спосіб виготовлення металевої деталі за п ЗО пп 14-19, яка відрізняється тим, що згадане або п 31, який відрізняється тим, що згаданий термобар'єрне керамічне покриття має колончасту пірохлор - це пірохлор формули А2В2О7, при цьому мікроструктуру типові радіуси ІОНІВ А та В вибрані в межах області існування кубічної структури 21 Металева деталь, що містить металеву основу і термобар'єрне керамічне покриття, яка відрізня33 Спосіб виготовлення металевої деталі за будьється тим, що деталь має внутрішні охолоджуваяким з попередніх пп 30-32, який відрізняється льні отвори, а термобар'єрне керамічне покриття тим, що складова В у формулі пірохлору - це Hf, виконано з кераміки, яка має кристалічну структуру Ті, ZrTa їхні монофазні суміші пірохлору 34 Спосіб виготовлення металевої деталі за будьяким з попередніх пп 30-33, який відрізняється 22 Спосіб виготовлення металевої деталі, який тим, що складова А у формулі пірохлору - це La, містить нанесення термобар'єрного керамічного Gd, YTa ЇХНІ монофазні суміші покриття принаймні на частину металевої основи, який відрізняється тим, що конденсацією паро35 Спосіб виготовлення металевої деталі за будьвої фази, отриманої за допомогою електронного яким з попередніх пп 30-34, який відрізняється променю, наносять термобар'єрне керамічне потим, що вільну поверхню термобар'єрного керамікриття, яке має структуру кубічного пірохлору чного покриття розташовують на згаданій металевій деталі з боку, який при використанні деталі 23 Спосіб за п 22, який відрізняється тим, що буде нагріватися, а вільну поверхню основи розоснову виготовлено з металу, який вибрано з груташовують на згаданій металевій деталі з боку, пи, що складається з сталі, жароміцних сплавів, який при використанні деталі буде охолоджувасплавів титану та сплавів МІДІ тися 24 Спосіб за п 22 або п 23, який відрізняється тим, що згаданий пірохлор - це пірохлор формули 36 Спосіб виготовлення металевої деталі за будьА2В2О7, при цьому типові радіуси ІОНІВ А та В вибяким з попередніх пп 30-35, який відрізняється рані в межах області існування кубічної структури тим, що термобар'єрне керамічне покриття має колончасту мікроструктуру 25 Спосіб за будь-яким з попередніх пп 22-24, який відрізняється тим, що складова В у форму37 Спосіб виготовлення металевої деталі за будьлі пірохлору- це Hf, Ті, ZrTa їхні монофазні суміші яким з попередніх пп 30-36, який відрізняється тим, що на зовнішню поверхню згаданої метале26 Спосіб за будь-яким з попередніх пп 22-25, вої деталі наносять шар оксиду, а термобар'єрне який відрізняється тим, що складова А у формукерамічне покриття з структурою кубічного піролі пірохлору - це La, Gd, Y та їхні монофазні сухлору з'єднують з шаром оксиду, при цьому згадаміші ний оксид - це оксид алюмінію 27 Спосіб за будь-яким з попередніх пп 22-26, який відрізняється тим, що вільну поверхню 38 Металева деталь, що містить металеву основу термобар'єрного керамічного покриття розташоі термобар'єрне керамічне покриття, яка відрізнявують на згаданій металевій деталі з боку, який ється тим, що термобар'єрне керамічне покриття при використанні деталі буде нагріватися, а вільну складається з цирконату лантану та воно нанесеповерхню основи розташовують на згаданій метане принаймні на частину зовнішньої поверхні мелевій деталі з боку, який при використанні деталі талевої основи з жароміцного сплаву буде охолоджуватися 39 Застосування кераміки, що має структуру пірохлору, як матеріалу для термобар'єрного покриття 28 Спосіб за будь-яким з попередніх пп 22-27, металевої деталі який відрізняється тим, що термобар'єрне керамічне покриття має колончасту мікроструктуру 44780 Цей винахід відноситься до класу керамічних матеріалів для термобар'єрних покрить, до термобар'єрних покрить, виготовлених з таких матеріалів, і до металевих деталей, що мають такі термобар'єрні покриття Термобар'єрні покриття знаходять особливе застосування в газотурбінних двигунах Керамічні матеріали належать до сімейства керамік, що мають пірохлорну структуру Газотурбінні двигуни являють собою високорозвинені механізми для перетворення хімічної потенційної енергії в формі палива в теплову енергію, а після цього в механічну енергію, що використовується для приведення в рух літаків, генерування електричної енергії, нагнітання рідин та ш В цьому випадку найбільш доступним засобом підвищення ефективності газотурбінних двигунів виявляється застосування високих робочих температур Однак, зараз металеві матеріали, що використовуються в газотурбінних двигунах, максимально наближаються до своїх верхніх меж теплостійкості В самій гарячій частині сучасних газотурбінних двигунів металеві матеріали зазнають вплив температури газу, що перевищує їхню точку плавлення Вони витримують завдяки повітряному охолодженню Але надмірне повітряне охолодження знижує ефективність двигуна Таким чином, велика увага приділялася розробці термобар'єрних покрить для використання в обладнанні літаків з газотурбінними двигунами, що охолоджуються Використання термобар'єрного покриття дозволяє значно знизити об'єм необхідного повітря для охолодження Основу таких покрить незмінно складає кераміка, пропонувалися муліт, оксид алюмінію та ін , однак, зараз саме дюксиду цирконію віддається перевага Дюксид цирконію повинен модифікуватися стабілізатором для збереження своєї кубічної кристалічної структури при підвищенні температури, при цьому до стабілізаторів звичайно відносяться оксид ітрію, оксид кальцію, оксид церію та оксид магнію Взагалі, металеві матеріали мають коефіцієнти теплового розширення, що перевищують коефіцієнти теплового розширення керамічних матеріалів Отже, однією з проблем, якої слідує приділяти увагу при розробці вдалих термобар'єрних покрить, є приведення в ВІДПОВІДНІСТЬ коефіцієнта теплового розширення керамічного матеріалу з коефіцієнтом теплового розширення металевої основи, так щоб після нагрівання, коли основа пошириться, керамічне покриття не потріскалося Дюксид цирконію має високий коефіцієнт теплового розширення, що є основною причиною вибору дюксиду цирконію в якості термобар'єрного покриття для металевої основи Термобар'єрні покриття наносилися декількома способами, в тому числі терморозпилюванням (плазма, факел, високошвидкісний окислювальний факел (HVOF)), розпилюванням і конденсацією з отриманої за допомогою електронного променю паровий фази (EBPVD) 3 усіх цих способів зараз перевага віддається конденсації з отриманої за допомогою електронного променя паровий фази, бо цей спосіб створює унікальну структуру покриття Керамічні матеріали, отримані конденсацією з парової фази, отриманої за допомогою електронного променя, нанесені в ВІДПОВІДНОСТІ З певними параметрами, мають колончасту зернисту мікроструктуру, яка складається з маленьких колонок, відділених просвітами, що проникають в покриття Ці просвіти дозволяють металевій основі значно поширюватися, не призводячи при цьому до розтріскування та/або розколювання покриття (дивись патент США № 4 321 311) В ВІДПОВІДНОСТІ З патентом США № 5 073 433 схожа структура (що містить тріщини дільниць), хоча і на більшому масштабі, може бути отримана способом плазмового розпилювання Зараз незважаючи на успішні результати застосування покрить на основі дюксиду цирконію, отриманих конденсацією з парової фази, отриманої за допомогою електронного променю, існує постійна потреба в вдосконаленні покрить, що володіють спроможністю до високої теплоізоляції, особливо покращенню ІЗОЛЯЦІЙНОЮ спроможністю при нормалізації в ВІДПОВІДНОСТІ З ЩІЛЬНІСТЮ по криття Вага завжди є критичним фактором при проектуванні газотурбінних двигунів, особливо в деталях, що обертаються Керамічні термобар'єрні покриття не є матеріалами, що витримують навантаження, отже, вони збільшують вагу, не збільшуючи при цьому МІЦНІСТЬ Існує потреба в розробці керамічного термобар'єрного матеріалу, який незначно збільшує вагу, але при цьому має максимальну теплоізоляційну спроможність Крім того, очевидною є необхідність у збільшенні терміну служби, стабільності, економічності та ш Незважаючи на те, що таке покриття було розроблено для застосування в газотурбінних двигунах, цей винахід певно може знайти застосування в інших галузях, в яких використовуються високі температури, наприклад, в печах На фіг 1а показано кристалічну структуру цирконату лантану, пірохлорна структура На фіг 1Ь показано кристалічну структуру дюксиду цирконію, флюоритна структура На фіг 2 показано взаємозв'язок між іонними розмірами складових А та В, які необхідні для формування пірохлорної структури На фіг За показано керамічне покриття, нанесене безпосередньо на металеву основу На фіг ЗЬ показано керамічне покриття, нанесене на металеву основу з проміжним зв'язувальним шаром На фіг Зс показано збільшене зображення взаємозв'язку проміжного зв'язувального шару і керамічного шару на фіг ЗЬ На фіг 4 показано фазову діаграму ZrO2 La203 На фіг 5 показано коефіцієнт теплопровідності деяких керамічних матеріалів На фіг 6 показано коефіцієнт теплового розширення для деяких керамічних матеріалів На фіг 7 показано діаграму дифракції, яка отримана в результаті рентгенівського опромінювання поверхні переважного варіанту покриття Суттєвість цього винаходу витікає з того відкриття, що клас керамічних матеріалів знаходить значне корисне застосування в якості термобар'єрних покрить для металевих основ Ці матеріали 8 44780 сті термобар'єрних матеріалів на основі дюксиду мають пірохлорну кристалічну структуру цирконію, які отримали широке застосування Крім Термін "пірохлор" використовується для потого, багато з пірохлорних матеріалів мають співзначення руди танталу, знайденої в Канаді Термін відношення фаз, при яких структура пірохлору є в більш загальних рисах описує керамічну струкфазостабільною аж до точки плавлення Отже, туру сполуки А2В2О7, де А може мати валентність введення стабілізуючих додатків не є потрібним 3+ або 2 + , В - може мати валентність 4 + або 5+, та в БІЛЬШІСТЬ пірохлорів, які ми досліджували, мають якій сума валентностей А та В дорівнює 7 Кисень точки плавлення більш ніж 1650°С та в більшості може бути частково заміщений сіркою або фтовипадків - точки плавлення, що перевищують ром Типовими пірохлорами, що, на наш погляд, 2200°С Крім того, ці матеріали мають адгезію до можуть застосовуватися в якості термобар'єрних оксиду алюмінію Все це властивості, які повинні покрить, можуть бути такі, в яких А вибрано з грумати термобар'єрні покриття пи, що складається з лантану, гадолінію та ітрію, а також суміші цих елементів, а В вибрано з групи, Матеріали покрить і покриття, що є об'єктом що складається з цирконію, гафнію, титану та суданого винаходу, можуть знайти застосування для міші цих елементів Існує багато інших пірохлорів, захисту основи з жароміцного сплаву від надлишщо можуть використовуватися в якості термобакових температур Жароміцні сплави - це метали, р'єрних покрить Повний опис пірохлорів предстаяк правило, основані на залізі, нікелі або кобальті влений в "Oxide Pyrochlores - A Review", M А та такі, що містять хром, алюміній, як правило, Subramaman et al , Progress in Solid State титан та тугоплавкі метали, їхньою корисною влаChemistry, vol 15, pp 55 - 143, 1983, включений в стивістю є точка плавлення, що перевищує 650°С цей опис шляхом посилання Інші металеві основи, включаючи сталі, сплави МІДІ і сплави титану, також можуть бути захищені Ми виявили, що при підібраній ЩІЛЬНОСТІ ОСНОТаблиця 1 описує приклади матеріалів для метаВНІ пірохлори, які ми досліджували, мають термолевої основи ізоляційні властивості, що перевищують властиво Таблиця 1 (Ваговий вміст металів в сполуках жароміцних сплавів, %) PWA1422 PWA1426 PWA1480 IN 792 Сг 9 6,4 10 12 Co 10 12,6 5 9 W 12 6,4 4 3,8 Cb 1 Ті 2 1,5 4,1 АІ 5 5,9 5 3,5 В 0,015 0,012 0,015, Як і в інших керамічних термобар'єрних покриттях адгезія пірохлорної кераміки до основи з металевого сплаву є вирішальним фактором Як відомо з рівня техніки для термобар'єрних покрить на основі дюксиду цирконію металеве зв'язувальне покриття (інколи ще описується як покриття-оверлей), таке як MCrAlY, є кращим зв'язувальним покриттям для оксидних керамічних покрить Відомо також, що алюмінідні покриття також ефективні в якості зв'язувальних покрить, хоча їхній термін служби в більшості випадків менш тривалий в порівнянні зі зв'язувальними покриттями з MCrAlY Загальною рисою покрить Hf 1,6 1,5 0,5 С 0,14 0,12 Ni Реш Реш Реш Реш Та 3,0 12 3,9 Мо 1,7 1,9 Zr 0,08 0,12 Re 0,3 оверлєи та алюмінідних покрить є те, що всі вони утворюють плівку зчіплювання або окалину з оксиду алюмінію Процентне співвідношення елементів в покриттях з MCrAlY- 10-25% Сг, 5-15% АІ, 0,1 -1,0 Y, решта вибирається з Fe, Ni та Co, а також з сумішей Ni та Co Також можна ввести додатки аж до 5% кожного з Hf, Та або Re, до 1% Si та до 3% кожного з Os, Pt, Pd або Rh Таблиця 2 описує типові сполуки MCrAlY, що можуть бути нанесені шляхом терморозпилювання, конденсацією з парової фази, отриманої за допомогою електронного променю та способом електроосадження Таблиця 2 (Ваговий вміст металів в сполуках MCrAlY, %) NiCrAlY CoCrAlY NiCoCrAlY NiCoCrAlY Ni Реш Реш Реш Co Реш 23 22 Альтернативним зв'язувальним покриттям є дифузійний алюмінід, утворений шляхом дифундування алюмінію в поверхню металевої основи Дифузійні алюмініди добре ВІДОМІ та можуть застосовуватися з використанням суміші (що нази Сг АІ Y 19,5 12,5 18 18 17 11 0,45 0,45 12,5 12,5 0,3 0,6 Hf 0,25 Si 0,4 вається "блок"), що містить джерело алюмінію, таке як сплав або сполуки алюмінію, активатор (як правило, сполуки галогеніду, такі як NaF) та інертний матеріал, такий як оксид алюмінію Деталь або частина, на яку необхідно нанести покриття, зану 44780 рюють в блок і нагрівають до температури 815,6 1093,3°С, при цьому газ-носій, такий як водень, пропускається через блок ВІДОМІ також процеси, при яких деталь або частину не занурюють в блок ВІДОМІ способи введення в алюмінідні покриття таких благородних металів, як Pt, Rh, Pd і Os Опис способів нанесення алюмінідних покрить представлений в патенті США № 5 514 482 Можливими є також комбінації алюмінідних покрить і покрить-оверлей Опис системи, що має внутрішнє покриття-оверлей з MCrAlY і зовнішнє алюмінідне покриття, представлено в патенті США № 4 897 315 Опис зворотної комбінації, тобто внутрішнє алюмінідне покриття і зовнішнє покриттяоверлей, представлене в патенті США № 4 005 989 Загальною рисою цих зв'язувальних покрить і комбінацій зв'язувальних покрить є те, що вони утворюють прошарок зчеплення з оксидом алюмінію на своїй ЗОВНІШНІЙ поверхні Термобар'єрне покриття, що є об'єктом цього винаходу, має обмежену розчинність в дюксиді алюмінію, але при цьому тривко зв'язується з дюксидом алюмінію В певних випадках жароміцні сплави можуть утворювати достатньо досконалі шари зчеплення з дюксидом алюмінію, з якими кераміка може з'єднуватися без окремого зв'язувального покриття Дивись патенти США №№ 5 262 245, 4 895 201, 5 034 284, 5 346 563 і 5 538 796 Зараз усі успішні випадки застосування керамічних покрить для жароміцних сплавів включали оксидний шар (як правило, дюксид алюмінію, рідше дюксид кремнію) між зв'язувальним покриттям (або металевою основою) і керамічним покриттям Пірохлорна структура - це складна структура, яку можна охарактеризувати різноманітними способами як, наприклад, похідне структури флюориту, або як сіть октаедрів, зв'язаних кут у кут з катіонами, що заповняють міжвузля На фіг 1а показано кубічну пірохлорну структуру Незалежно від опису структури пірохлорна структура має ХІМІЧНИЙ склад А2В2О7 або, в деяких випадках, А2В2О6 або АВгОє, де останні два склади відносяться до дефектних пірохлорів На фіг 1а показано цирконат лантану, що має ХІМІЧНИЙ склад А2В2О7 На фіг 1Ь показано кубічну флюоритну структуру - структуру стабілізованого дюксиду цирконію В результаті порівняння фіг 1а та фіг 1Ь виявляються як схожість, так і ВІДМІННОСТІ МІЖ обома структурами Як фіг 1а, так і фіг 1Ь являють собою вигляд вздовж по осі кристалу Візуально пірохлорна структура виявляється менш регулярною у порівнянні з флюоритною структурою Іони А та В можуть мати різноманітні валентності доти, доки сума їхніх валентностей не буде перевищувати 7 в випадку зі структурою А2В2О7 або б в випадку зі структурою А2В2О6 Пірохлорна структура формується тільки при певних співвідношеннях радіусів ІОНІВ А та В Фіг 2 ілюструє це співвідношення, вказуючи на загальну комбінацію радіусів ІОНІВ А та В, що утворюють кубічні пірохлори Ми виявили деяку невизначеність на границях цієї діаграми, і ми вважаємо, грунтуючись на наших дослідженнях, що титанат лантану (ЬагТ^О?) має стабільну кубічну пірохло 10 рну структуру ВІДОМІ також не кубічні пірохлори, але для цього винаходу ми віддаємо перевагу використанню кераміки, що має кубічну пірохлорну структуру Як показано на фіг 2, утворення необхідної кубічної пірохлорної кристалічної структури визначається ВІДПОВІДНИМИ радіусами ІОНІВ складових А та В Для отримання середнього іонного радіусу, результатом якого стане утворення кубічної пірохлорної структури, можливе також використання суміші елементів для складових А і/або В За допомогою приклада, наведеного на фіг 2, видно, що як Gd2~Ti2O7, так і У-^іОі будуть мати кубічні пірохлорні структури Як правило, сполуки, що мають формулу (GdxYv) (TiaZrt,)07, дех + у = 2 і а + b = 2, також будуть мати кубічну пірохлорну структуру Більш ТОГО, таку сполуку, як I^Z^O?, яка не є кубічною, можна, певно, перетворити в кубічну шляхом часткового заміщення (наприклад) Nd замість In і/або Ті замість Zr так, щоб усередненні радіуси ІОНІВ А та В вписалися в кубічну пірохлорну область, показану на фіг 2 Ми проводили роботу з типом пірохлорів, що визначаються формулою А2В2О7, і з них ми віддаємо перевагу гадолінію, лантану або ітрію для використання в якості юна А, і гафнію, титану або цирконію для використання в якості юна В Цирконат лантану уявляється найбільш прийнятним, бо лантан і цирконій мають аналогічний тиск пара, що з більшою імовірністю дозволяє здійснити осадження з парової фази Ми використали тільки матеріали, що мають структуру А2В2О7, і не робили спроб використати ВІДОМІ пірохлори, в яких фтор або сірка заміщають частину кисню, але ми не вважаємо, що існують причини для виключення фтор- або сірко-заміщених сполук з цього винаходу Ми також експериментальне не провели кількісну оцінку структур А2В2О6 і АВгОє, але ми вважаємо, що вони також можуть знайти застосування в термобар'єрних покриттях Ті, Zr та Hf демонструють повну взаємну розчинність в твердому стані, і ми вважаємо, що в якості юна В можна використати будь-яку комбінацію Ті + Zr + Hf Аналогічно, Gd, La та Y демонструють істотну розчинність в твердому стані (Gd і La демонструють повну розчинність) В якості юна А може використовуватися будь-яка комбінація Gd + La + Y, яка не утворить другу фазу Ці сплави елементів А та В повинні задовольняти критеріям на фіг 2 і мати пірохлорну структуру Низьку питому теплопровідність оксидних пірохлорних сполук можна раціонально пояснити шляхом розгляду кристалографічних і ХІМІЧНИХ ВПЛИВІВ на теплопровідність Питома теплопровідність діелектричних твердих тіл при високих температурах визначається фононним розсіюванням від кристалічних дефектів і іншими фононами Оксидні пірохлорні сполуки демонструють багато властивостей, притаманних матеріалам з низькою питомою теплопровідністю Пірохлорна кристалічна структура має високу концентрацію внутрішніх дефектів Було експериментальне встановлено, що при збільшенні різниці в атомних масах складників сполук, питома теплопровідність такої сполуки має тенденцію до пониження Незважаючи на 11 44780 12 те, що пірохлорна та флюоритна структури тісно поверхню зовнішньої сторони від гарячих газів, взаємозв'язані, заміщення високої концентрації завдяки чому ще більше зменшується тепловий атомів із високою атомною масою (лантан, гадоліпотік Тепловий потік буде проходити від передній та ітрій) в флюоритній структурі стає способом ньої поверхні 21 до охолодженої поверхні 11, і зниження питомої теплопровідності, що не спостеоб'єм теплового потоку істотно зменшиться завдярігається у стабілізованих сполуках дюксиду цирки пірохлорному шару Як згадувалося раніше, конію Слід відзначити, що при застосуванні терпірохлор можна наносити різноманітними спосомобар'єрних покрить, переваги, отримані бами, а макроструктура пірохлорного шару буде в внаслідок зниження питомої теплопровідності, яке значній мірі залежати від способу нанесення Сає результатом використання елементів з високою мим основним варіантом здійснення даного винаатомною масою, повинні перевищити недоліки, що ходу є пірохлорний шар, зв'язаний з металевою полягають в більш високій ЩІЛЬНОСТІ основою, що зменшує об'єм гарячого потоку при наявності температурного градієнту Зниження питомої теплопровідності асоціюється також із збільшеною складністю кристалоНа фіг ЗЬ показано переважну конструкцію, графічної структури Як показано на фіг 1а, пірощо використовує зв'язувальне покриття 15 між хлорна структура демонструє більш високий основою 10 і пірохлором 20 Зв'язувальне покритступень складності в порівнянні з флюоритною тя 15 покращує ступень зв'язку та захищає від окиструктурою, показаною на фіг 1Ь Кубічна пірослення металеву основу Фіг Зс - це збільшене хлорна структура аналогічна кубічній флюоритній зображення проміжного шару 16 між зв'язувальструктурі, але вона має велику КІЛЬКІСТЬ заміщених ним покриттям 15 і шаром пірохлору 20 В цьому атомів кисню (кожний восьмий з яких буде відсутпроміжному шарі є оксидний шар 22, виготовлений ній) істотно з оксиду алюмінію Ми вважаємо, що, головним чином, від цього шару залежить якість Термобар'єрне покриття звичайно наносяться зв'язування пірохлору за допомогою процесів терморозпилювання, таких як плазмове розпилювання при нормальному тисВідомо, ЩО у випадку з термобар'єрними поку (APS) або плазмове розпилювання при низькокриттями з дюксиду цирконію, на зв'язувальному му тиску (LPPS), за допомогою високошвидкісних покритті відбувається природне збільшення шару киснево-паливних способів (HVOF) або за допомооксиду алюмінію після розпилювання оксиду алюгою детонаційних пістолетів (D Gun) Іншими спомінію на поверхню зв'язувального покриття І ще собами нанесення також є конденсація з парової одним варіантом здійснення цього винаходу є тафази, отриманої за допомогою електронного прокож використання окремо нанесеного шару оксиду меню, та розпилювання Перевага віддається коналюмінію (замість оксидного шару, збільшеного під денсації з парової фази, отриманої за допомогою впливом температури) електронного променю В залежності від області Ще одним варіантом здійснення винаходумозастосування та інших обставин кожний процес же бути нанесення іншого керамічного шару на має свої переваги Всі ці процеси можна успішно вільну поверхню пірохлору Цей додатковий шар застосовувати для нанесення оксидних пірохлорможе використовуватися для зменшення кисневої них термобар'єрних покрить Як обговорювалося дифузії для забезпечення СТІЙКОСТІ ДО ерозії та вище, конденсація з парової фази, отриманої за абразивного спрацювання або для забезпечення допомогою електронного променю, має свої перенеобхідної характеристики термальної емісійної ваги, бо вона утворює структуру, придатну для спроможності, або для отримання деякої комбіназастосування при екстремальних температурах, і ції цих характеристик тому більше всього підходить для покриття детаПриклад 1 лей турбіни, які знаходяться в гарячих дільницях Буде продемонстроване використання піроПроцес терморозпилювання має свої переваги при хлорної оксидної сполуки LaiLx-zOj (цирконату ланпокриванні великих деталей складної форми, і тану) в якості термобар'єрного покриття, нанесетому більше всього підходить для покривання таного шляхом конденсації з парової фази, ких частин, як камери згорання отриманої за допомогою електронного променю Поліпшеними властивостями пірохлорного оксиду Фіг За, ЗЬ і Зс ілюструють варіанти термобаLaiLx-zOj відносно стабілізованого дюксиду циркор'єрних покрить цього винаходу На фіг За показанію для термобар'єрного покриття є питома теплоно виріб з покриттям, що містить основу 10 з жапровідність, теплове розширення, ЩІЛЬНІСТЬ і фароміцного сплаву, яка має пірохлорне верхнє зова стабільність На фіг 4 показано фазову покриття 20 на своїй ЗОВНІШНІЙ поверхні 21 При діаграму La2O3-ZrO2, де поле пірохлорної фази застосуванні в газовій турбіні зворотна сторона 11 позначене "Р" На діаграмі видно, що структура основи 10 з жароміцного сплаву буде охолоджувапірохлору (при приблизно 35 мол % іагОз) залитися повітрям (не показане), а зовнішня передня шається стабільною до точки плавлення 2300°С поверхня 21 з пірохлора буде підлягати впливу підвищених температур Між зовнішньою поверхНа фіг 5 показана питома теплопровідність ню і зворотною стороною можуть бути також отвоL^TZ^OJ В порівнянні з питомою теплопровідністю ри, що дозволяють повітрю, що охолоджує, прохокубічного дюксиду цирконію в залежності від темдити від зворотної сторони до зовнішньої поверхні ператури При температурах, що використовуютьОхолоджуючі отвори, що сягають найдальших куся для звичайних термобар'єрних покрить, піротів або мають іншу певну форму, в поєднанні з хлорна сполука демонструє питому гарячими газами, що протікають по ЗОВНІШНІЙ потеплопровідність, що становить близько 50% від верхні, можуть призвести до утворення охолоджупитомої теплопровідності стабілізованого дюксиду ючої плівки, в якій шар холодного повітря ВІДДІЛЯЄ цирконію ЩІЛЬНІСТЬ сполуки пірохлору L^TZ^OJ Є 13 44780 14 приблизно рівною ЩІЛЬНОСТІ стабілізованого діокноі за допомогою електронного променю, в камері сиду цирконію (приблизно 6г/см3) , тому при праз регульованою атмосферою Покриття наносиловильно підібраній вазі основи, виграш в питомій ся на монокристалічну основу (стандартний склад теплопровідності становить також біля 50% PWA 1480 (Див Таблицю 2) Процес покриття здійснювався у вакуумі при 0,043Па та при витраДля того, щоб продемонструвати перевагу, чанні кисневого потоку 50ссм Кисень додавали вкажемо, що зменшення питомої теплопровідності для забезпечення кисневої стехіометрії пірохлору, на 50% дозволяє зменшити на 50% товщину подивись патент США № 5 087 477 Під час осакриття для того ж ступеня теплозахисту Змендження температура основи була 1004°С, при шення маси покриття на 50% на лопатці звичайної цьому основа знаходилась на відстані 133,4мм від турбіни дозволить при звичайних експлуатаційних джерела осадження Пірохлорна кераміка з джеумовах зменшити зусилля на хвостовик лопатки рела випарювалася електронним променем в реприблизно на 680кг, що, в свою чергу, дозволить жимі 0,8А і 10000В В якості оксиду в джерелі визначно збільшити термін служби лопатки та зменкористовувався порошок L^TZ^OJ Покриття шити масу диску, до якого кріпляться лопатки Якдемонструвало сприятливу колончасту зернисту що б товщина термобар'єрного покриття залишаструктуру, типову для термобар'єрних покрить з лася незмінною, а потік охолоджуючого повітря кубічного діоксиду цирконію, нанесеного шляхом залишався би постійним, то температура основи конденсації парової фази, отриманої за допомогою понизилася би приблизно на 55°С, що збільшило б електронного променю, що дозволяє зменшити втомну ДОВГОВІЧНІСТЬ при повзучості Незмінна тодеформацію та збільшити термін служби в поріввщина покриття та зменшення повітряного потоку нянні з покриттями, нанесеними плазмовим напизбільшило би коефіцієнт корисної дії двигуна люванням На фіг 6 показано середнє значення коефіцієнта теплового розширення LaiLx-zOj у порівнянні з На фіг 7 показано діаграму дифракції, отрикоефіцієнтом теплового розширення кубічного ману шляхом рентгенівського опромінювання постабілізованого діоксиду цирконію в залежності від верхні покриття На пірохлорній кристалічній струтемператури Можна бачити, що теплове розшиктурі були отримані дифракційні пики, що свідчить рення термобар'єрного покриття з L^TZ^OJ аналопро те, що пірохлорна структура утворилася в гічно тепловому розширенню термобар'єрного термобар'єрному покритті, отриманому шляхом покриття з кубічного діоксиду цирконію Це ознаосадження чає, що при термоциклюванні L^TZ^OJ буде вести Хоча цей винахід демонструвався і описувався себе так, як і дюксид цирконію згідно з наведеними варіантами здійснення, фахівцям в цій галузі буде зрозуміло, що не відступаюПриклад 2 чи від духу та обсягу заявленого винаходу, його Цирконат лантану наносився на металеву осможна доповнити або внести деякі зміни нову шляхом конденсації з парової фази, отрима Фіг. 1В 15 44780 Фіг. 2 20 10 \ 20 ^ L \ У/У/Л&Ші .22 Фіг. ЗА -ЗС 15 Фіг. ЗС Фіг. ЗВ Фіг. 4 / Фіг. 5 Фіг. 6 Фіг. 7 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90