Теплозахисне покриття для лопаток газових турбін

Реферат: Запропоновано теплозахисне покриття для лопаток газових турбін, що містить внутрішній пластичний шар, проміжний жаростійкий шар, що виконаний у вигляді чергуючих металевого MeCrAlVSiZrHf та композиційного MeCrAlVSiZrHf та МеО, де Me - Co, Ni, Fe або сплави на їх основі; МеО - Аl2О3 або (ZrO2+Y2O3) та зовнішнього шару на основі діоксиду цирконію, стабілізованого оксидом ітрію, яке відрізняється тим, що зовнішній шар додатково містить диборид цирконію ZrB2 або диборид титану ТіВ2 в кількості від 0,5 до 4 % мас. Зовнішній шар має зигзагоподібну структуру із регульованою товщиною та радіусом кривизни між чергуючими мікрошарами, які його складають. UA 98226 C2 (12) UA 98226 C2 UA 98226 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується області енергетичного машинобудування, а саме до захисних покриттів, що працюють при підвищеній температурі та щільності газового потоку. Проблема створення ефективно та надійно працюючих газових турбін є найбільш складною серед багаточисельних проблем, що виникають на шляху розвитку газотурбінних двигунів (ГТД). Спроби створення теплозахисних покриттів були здійсненні ще 50 років тому. Однак зацікавленість ними зросла за останні роки, коли були створені більш досконалі ГТД з температурою робочого газу близькою чи перевищуючою температурний максимум роботи існуючих жароміцних сплавів. Коротко зупинимось на конструкціях теплозахисних покриттів (ТЗП), запропонованих різними авторами фіг. 1 [1-5]. Як правило ТЗП складається із двох шарів: внутрішнього металевого, та зовнішнього - керамічного. В якості основи металевого шару використовують нікель, кобальт або сплави на їх основі з добавками хрому (від 14 до 30 % мас.), ітрію (від 0,06 до 1,8 % мас.), алюмінію (від 5 до 14 % мас.). Товщина металевого шару може змінюватися від 30 до 200 мкм. В якості матеріалів теплозахисного шару найбільш часто використовують діоксид цирконію, ZrO2 стабілізований оксидом ітрію Y2O3, причому кількість стабілізуючої добавки також змінюється в досить широких межах від 5 до 30 % мас. Для створення ТЗП використовують і інші оксиди, а саме: Аl2О3, Аl2О3 - ТіО2, Аl2О3 - СrО3 та інші. В наступних роботах спостерігається тенденція до подальшої оптимізації конструкції теплозахисних покриттів шляхом гальмування дифузійних процесів на границі шарів. Для цього після формування металевого шару, наноситься тонкий (3-5 мкм) розподільчий (бар'єрний) шар хрому або цирконію, а потім керамічний. Найбільші успіхи з точки зору підвищення довговічності ТЗП, досягнуті шляхом створення бар'єрного шару із складної шпінелі основою якого є оксид алюмінію. В останній час, з метою підвищення економічності технологічного процесу ТЗП осадження двошарового покриття метал-кераміка здійснюють за один технологічний цикл [6-8]. Коротко описані вище технологічні та конструкційні особливості двошарових ТЗП, вказують на шляхи їх подальшого удосконалення. Перш за все це цілеспрямована розробка нових матеріалів ТЗП та конструювання теплозахисних покриттів. Гіллон, Астрід та інші [9] показали можливість суттєвого збільшення довговічності двошарових теплозахисних покриттів шляхом створення зовнішнього керамічного шару у вигляді "зигзаг" із заданими: товщиною мікрошарів, що утворюють керамічний шар та кутом росту кристалітів (фіг. 2). Металеві сплави MeCrAlY, що використовуються як внутрішній жаростійкий шар, для яких характерне інтерметалідне зміцнення, здатні не руйнуватися до температур 0,5-0,6 від температури плавлення. Більш термодинамічно стійкими є дисперснозміцнені матеріали, в яких як зміцнююча добавка є високовогнетривкі оксиди. Однак, як показують випробування, введення дисперсних включень в матричний сплав MeCrAlY, що містить від 10 до 13 % мас. Аl, та створення композицій із комбінованим зміцненням (інтерметалідним та оксидним) є не найкращим вирішенням проблеми. Одночасно з підвищенням термодинамічної стабільності протікає подальше окрихчення металу. Проблема була вирішена шляхом створення так званих мікрошаруватих матеріалів з чергуванням мікрошарів MeCrAlY/MeCrAlY+МеО. При масовій долі оксиду 0,5-3 % мас. в композиційних мікрошарах та товщині мікрошарів 0,5-2 мкм. Наведені матеріали мають переваги в порівнянні з матричними сплавами MeCrAlY по міцності, пластичності та термодинамічної стабільності та не поступаються їм по жаростійкості [10]. Досліди, проведені спільно із Самарським науково-виробничим об'єднанням "Труд", підтвердили переваги двошарових ТЗП з внутрішнім мікрошаруватим та зовнішнім керамічним шарами в порівнянні з ТЗП, що були розглянуті вище. Подальше удосконалення двошарового ТЗП протікало шляхом оптимізації його складу за рахунок легування внутрішнього металевого шару кремнієм, гафнієм, цирконієм, відповідно: Hf до 0,4 % мас, Si до 0,5 % мас, Zr до 0,2 % мас. при відносно високому вмісті ітрію до 1 % мас. Найбільш близьким по технічній суті є теплозахисне покриття для лопаток газових турбін, що наведене в роботі [11]. Теплозахисне покриття складається із внутрішнього пластичного металевого (демфуючого) шару, проміжного композиційного жаростійкого шару та зовнішнього керамічного шару. Подібна конструкція теплозахисного покриття дозволяє приблизно у 1,5 разу збільшити ресурс роботи лопаток турбін в порівнянні із двошаровими теплозахисними покриттями метал-кераміка. Задачею даного винаходу є подальше підвищення експлуатаційної надійності та ресурсу роботи лопаток газових турбін із тришаровим теплозахисним покриттям. Задача досягається за рахунок того, що у зовнішній шар теплозахисного покриття вводять додатково диборид цирконію (ZrB2) або диборид титану (ТіВ2) в кількості від 0,5 до 4 % мас., а сам зовнішній шар 1 UA 98226 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 має зигзагоподібну структуру із регульованою товщиною та радіусом кривизни між складаючи ми його шарами, що чергуються. Дія боридів ZrB2 та ТіВ2 в керамічному шарі наведено на фіг. 3. Дисперсні частинки ZrB2 (фіг. 3а) та ТіВ2 (фіг. 1б) розміром 200-400 °А (20-40 нм) рівномірно розподілені у об'ємі зовнішнього керамічного шару. При виникненні мікро тріщин дисперсні частинки ZrB2 та ТіВ2 взаємодіють з киснем і утворюють складні хімічні сполуки за наступними реакціями, які заліковують тріщини, що виникають. 2ZrB2+5О2=2ZrO2+2В2О3 ТіВ2+4О2=ТiO2+2В2О3. Як відомо із [11] виріб із покриттям являє собою єдину конструкцію, в якій внутрішні навантаження у зовнішньому керамічному шарі суттєво залежить від форми та розмірів кристалів ZrO2-Y2O3. Тому в залежності від конструкції виробу та умов його експлуатації необхідно вибирати оптимальне співвідношення цих параметрів. Авторами винаходу запропоновано пристрій для нанесення зовнішнього керамічного шару типу "зигзаг" з товщиною, мікрошарів, що регулюються та радіусом кривизни між мікрошарами, що його складають. Схема роботи пристрою наведена на фіг. 5, зовнішній вигляд пристрою наведено на фіг. 6. Пристрій являє собою корпус із встановленим у ньому на підшипниках конічними шестернями 1, 2, 3 (фіг. 4). На осі шестерні 3 закріплюється виріб, що покривається. Пристрій з виробом встановлюється на шток електронно-променевої установки де здійснюється осадження зовнішнього керамічного шару типу "зигзаг". При обертанні штока установки із закріпленим на ньому пристроєм із виробом остання буде здійснювати просторове конусоподібне обертання (друге крайнє положення показано на фіг. 4). При цьому, якщо надати обертання внутрішньому валу пристрою (фіг. 4), то картину росту кристалів та формування мікрошарів можна показати фіг. 5. Для ілюстрації росту кристалів у мікрошарах приймемо обертання штоку із дискретним кутом обертання на 90 градусів з наступною зупинкою. Формування подібного зигзагоподібного покриття із періодичною рівномірною зупинкою показано на фіг. 5 а, б, в, д, e. Формування напиленого шару типу "зигзаг" при неперервному обертанні штока електроннопроменевої установки внутрішнього валу пристрою показано на фіг. 5 ж. Технологічний процес осадження зовнішнього керамічного шару типу "зигзаг" протікає наступним чином. Випаровування керамічної компоненти здійснюється з мідного водоохолоджуваного тигля. В залежності від товщини зигзагоподібних шарів, що чергуються, їх форми та радіусу кривизни, задається швидкість обертання штоку та час його зупинки в електронно-променевій установці, на якому кріпиться виріб, що покривається. В цьому випадку формується зигзагоподібна структура, що наведена на фіг. 5 а-e. При одночасному регульованому обертанні штока та внутрішнього валу пристрою формується зигзагоподібна структура наведена на фіг. 5 ж. Таким чином у кожному конкретному випадку в залежності від умов експлуатації виробів можна вибрати оптимальне співвідношення товщини мікрошарів, що чергуються, їх форму та радіус кривизни, що забезпечують найкращі експлуатаційні характеристики. Діапазон концентрацій боридної фази у зовнішньому керамічному шарі 0,5-4 % мас. визначали експериментальним шляхом. При вмісті ZrB2 (TiB2) 0,5 % мас. дисперсних частинок недостатньо для заліковування мікротріщин. При більшій концентрації боридної фази спостерігається повне заліковування мікротріщин, однак жаростійкість зовнішнього керамічного шару знижується. В даний час технологія нанесення подібних покриттів впроваджується на російському підприємстві ВАТ "Сатурн", Росія та ГНТК "Зоря" - "Машпроект" м. Миколаїв, ДП "ІвченкоПрогрес" м. Запоріжжя, та ВАТ "Мотор-Січ" м. Запоріжжя, Україна. Джерела інформації: 1. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. - К.: Наукова думка, 1983. - 230 с. 2. Елисеев Ю.С, Абрамов Н.В., Крымов В.В. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении. - М.: Высшая школа, 1999. - 524 с. 3. Гречанюк Н.И., Кучеренко П.П., Осокин В.А., Шпак П.А. Современное состояние и перспективы создания теплозащитных покрытий (ТЗП) для лопаток газотурбинных установок (ГТУ) и оборудование для их нанесения // Новини енергетики.-2000. - № 20. - С. 32-37. 2 UA 98226 C2 5 10 15 20 4. Мовчан Б.А., Рудой Ю.Э. Градиентные теплозащитные покрытия, получаемые электронно-лучевым осаждением паровой фазы в вакууме // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1997. - № 2. - С. 25-32. 5. Мовчан Б.А. Яковчук К.Ю. Двух- и трехслойные покрытия, получаемые в вакууме. // Автоматическая сварка. - 1994. - № 2. - С. 30-35. 6. Гречанюк Н.И., Осокин В.А., Шпак П.А., Пиюк Е.Л. Влияние технологических параметров на структуру внешнего керамического слоя в двухслойных покрытиях металл-керамика, полученных электронно-лучевым осаждением за один технологический цикл. // Порошковая металлургия.-2005. - № 3/4. - С. 41-48. 7. Шпак П.А., Гречанюк Н.И., Осокин В.А., Пиюк Е.Л. Двухслойные теплозащитные покрытия металл-керамика, полученные электронно-лучевым осаждением за один технологический цикл. // Порошковая металлургия. - 2007. - № 7/8. - С. 100-106. 8. Рудой Ю.Э. Разработка градиентных теплозащитных покрытий и электронно-лучевой технологии их осаждение на лопатки газовых турбин: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.: Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины. - Киев, 2005. 9. Gillon Hermann Marijnissen, Astrid Helennia Francolse van Litshout, Gerardus Johonnes Ticheler, Hendrikus Jacobus Maria Bons, Vichitl Leendert Ridder, Thermol barrier coatind ceramic sturture United States Patent 5, 876, 860, Varzl999. 10. Гречанюк H.И., Грабин В.В., Мовчан Б.А. Исследование структуры и свойств микрослойных конденсатов NiCrAlY/(NiCrAlY+Al2O3), полученных электронно-лучевым испарением в вакууме. // Специальная электрометаллургия.-1984. - № 55. - С. 64-73. 11. Гречанюк М.I., Кучеренко ПП., Осокін В.О., Афанасьев І.Б., Белік С.С, Акримов В.О., гречанюк І.М. Піюк Є.Л. Патент України UA42052C2 опубл. 15. 10. 2001. Бюлетень № 9. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 1. Теплозахисне покриття для лопаток газових турбін, що містить внутрішній пластичний шар, проміжний жаростійкий шар, що виконаний у вигляді чергуючих металевого MeCrAlVSiZrHf та композиційного MeCrAlVSiZrHf та МеО, де Me - Co, Ni, Fe або сплави на їх основі; МеО - Аl2О3 або (ZrO2+Y2O3) та зовнішнього шару на основі діоксиду цирконію, стабілізованого оксидом ітрію, яке відрізняється тим, що зовнішній шар додатково містить диборид цирконію ZrB2 або диборид титану ТіВ2 в кількості від 0,5 до 4 % мас. 2. Теплозахисне покриття за п. 1, яке відрізняється тим, що зовнішній шар має зигзагоподібну структуру із регульованою товщиною та радіусом кривизни між чергуючими мікрошарами, які його складають. 3 UA 98226 C2 4 UA 98226 C2 5 UA 98226 C2 6 UA 98226 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7