Многослойное высокотемпературное теплозащитное керамическое покрытие

Многослойное высокотемпературное теплозащитное керамическое покрытие преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей состоит из двух или более слоев, разделенных металлическими слоями. Материалы слоев, соединяющих керамические слои, выбирают таким образом, чтобы материал, имеющий меньший коэффициент теплового расширения, располагался в зоне действия более высоких температур, а материал, имеющий больший коэффициент теплового расширения, находился в зоне действия меньших температур. Высота керамических волокон не превышает его двадцати максимальных характерных поперечных размеров. Изобретение повышает долговечность покрытия и его стойкость к нагрузкам, действующим в направлении, перпендикулярном оси столбчатого волокна. 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к средствам защиты охлаждаемых рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей от высоких температур.

Охлаждение лопатки воздухом, продуваемым через внутреннюю полость, обеспечивает ее работоспособность в условиях высоких (1000-1200°С) температур металла. Однако дальнейшее повышение температур газа при использовании таких лопаток затруднительно, поскольку оно ведет к увеличению теплового потока, подводимого к этим лопаткам, а улучшение их внутреннего охлаждения трудно осуществимо и ведет к повышению температурного перепада по толщине стенки. Это негативно сказывается на термоциклическом ресурсе лопатки. Поэтому одним из путей повышения температуры газа при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП), обеспечивающих снижение теплопритока к основному материалу лопатки.

Одним из наиболее перспективных типов ТЗП являются покрытия на основе диоксида циркония (ZrO₂), нанесенного на жаростойкую подложку, препятствующую окислению основного материала лопатки.

Известны покрытия на основе ZrO₂, наносимые плазменным напылением (В.П.Елютин, В.И.Костиков, Б.С.Лысов и др. Высокотемпературные материалы, ч.2. М., Металлургия, 1973 г., с. 350-354). Покрытие, нанесенное таким образом, представляет собой пористый слой, состоящий из частиц, связанных между собой частично за счет адгезии, частично за счет взаимной диффузии. При нанесении такого покрытия между ним и материалом, на который оно нанесено, образуются большие растягивающие напряжения. При этом керамические материалы очень плохо работают на растяжение, что ведет к очень быстрому разрушению такого покрытия на лопатках.

Известно покрытие на основе ZrO₂, наносимое электроннолучевым способом (Абраимов Н.В. Васокотемпературные материалы и защитные покрытия для газовых турбин. М., Машиностроение, 1993 г. с.159.). При нанесении покрытия этим способом материал покрытия испаряется в вакуумной камере электронным лучом и осаждается на разогретую поверхность. При этом на ней образуется покрытие в виде столбчатых, не связанных между собой волокон, по всей толщине покрытия. Нанесенное таким способом покрытие обеспечивает хорошую теплозащиту, поскольку тепло распространяется вдоль относительно длинных волокон (l≈100...150 мкм) малого поперечного сечения (d≈1..3 мкм). Для улучшения теплозащиты ведутся работы по повышению толщины покрытия до 250..300 мкм. Волокна имеют сечение неправильной формы. Покрытие, состоящее из отдельных столбчатых волокон, гораздо лучше работает в условиях термоциклических нагрузок. Однако оно обладает существенным недостатком: в условиях действия центробежной или вибрационной нагрузки, направление которой будет перпендикулярно оси столбчатых волокон, на них будет действовать изгибающая нагрузка, существенно превышающая предел прочности для керамики, причем она будет тем больше, чем выше волокно, а следовательно, чем толще покрытие.

Так же известно многослойное высокотемпературное покрытие по патенту США №4,904,542 "Многослойное коррозионно-стойкое покрытие", состоящее из керамических слоев, разделенных металлическими слоями. Данное покрытие имеет ряд существенных недостатков. Входящие в его состав керамика образована путем плазменного напыления, что существенно снижает его термическую усталость и долговечность. Материал металлических слоев выбирается исходя из характеристик его стойкости к эрозии. Это ведет к тому что при наличии перепадов температуры как по толщине, так и по его поверхности в материале металлического слоя возникнут термические напряжения, которые будут переданы керамике, имеющей низкую прочность на растяжение.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение стойкости высокотемпературного теплозащитного покрытия к термическим и механическим нагрузкам, повышение долговечности покрытия.

Технический результат достигается за счет использования многослойного высокотемпературного теплозащитного керамического покрытия, состоящего из двух или более керамических слоев, разделенных металлическими слоями, причем материалы слоев, соединяющих керамические слои, выбирают таким образом, чтобы материал, имеющий меньший коэффициент теплового расширения, располагался в зоне действия более высоких температур, а материал, имеющий больший коэффициент теплового расширения, находился в зоне действия меньших температур. Керамические слои образованы столбчатыми керамическими волокнами, высота которых не превышает его двадцати максимальных характерных поперечных размеров.

Ограничение толщины керамического слоя и нанесение поверх него металлического слоя снижает изгибающий момент, действующий на керамические волокна, поскольку волокно из балки с консольной заделкой превращается в балку с защемленными концами. Толщина керамического слоя ТЗП, т.е. длина столбчатых волокон определяется из условия неразрушения волокна под действием изгибающей силы от центробежной нагрузки при рабочих температурах. Из условия снижения напряжений в основании столбчатых волокон высота волокна ограничивается соотношением 20d, где d - средний диаметр волокон рассматриваемого слоя, условно имеющих круглое сечение. В зависимости от времени и режимов нанесения покрытия d может изменятся в широких пределах. Необходимый уровень теплового сопротивления обеспечивается увеличением числа керамических слоев, чередующихся с металлическими. Практически таким образом может быть получено покрытие любой толщины.

Поскольку температура по толщине материала будет существенно меняться для предотвращения возникновения термических напряжений, материалы металлических слоев должны подбираться с учетом их коэффициента температурного расширения (КТР). Материал, находящийся в зоне действия большей температуры, должен иметь КТР меньший, чем материал слоя, находящегося в условиях действия меньшей температуры.

Например, при создании шестислойного покрытия на основе ZrO₂, с использованием применяемых в настоящее время для жаростойких покрытий (Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В., Крымов В.В. " Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении." Изд. "Высшая школа" М. 1999 г. с.139) в качестве металлических слоев, жаропрочные материалы целесообразно размещать в следующей последовательности, учитывая их КТР:

Верхний слой ZrO₂: слой Co-22Cr-13Al-1Y (α=16·10^-6 1/°C), 2-й слой ZrO₂: слой Co-26Cr-9Al-1Y (α=16·10^-6 1/°С), 3-й слой ZrO₂: слой Со-32Сr-3Al-1Y. Основной материал.

На фиг.1 изображено сечение предлагаемого покрытия.

На фиг.2 показан узел I фиг.1 в увеличенном масштабе.

Многослойное покрытие, нанесенное на поверхность лопатки 1, состоит из слоев 2 столбчатых волокон из двуокиси циркония, разделенных слоями 3, 4, 5, жаростойких материалов, причем КТР материала 3 ниже, чем у материала слоя 4, а у материала слоя 4 ниже, чем у материала слоя 5. Столбчатое волокно слоя 2 имеет размер d поперечного сечения.

Заявляемое покрытие работает следующим образом.

Во время работы двигателя горячий газ обтекает поверхность покрытия лопатки, передавая часть тепла верхнему керамическому слою покрытия. Вследствие плохой теплопроводности температура обратной стороны керамического слоя имеет существенно более низкую температуру, чем внешняя. Прослойка из жаростойкого материала прогревается, расширяясь на величину

Δl₁=α₁ΔT₁,

где α₁ - КТР материала слоя;

ΔT₁ - температура слоя.

Температура следующего жаропрочного слоя будет ниже температуры предыдущего, поскольку лежащий между ними керамический слой препятствует теплопередаче. При этом величина расширения второго жаропрочного слоя будет

Δl₂=α₂ΔT₂,

где α₂ - КТР материала второго слоя,

ΔТ₂ - температура слоя.

При правильно подобранных материалах Δl₂ и Δl₁ будут близки по величине, что препятствует развитию больших термонапряжений.

Следующие слои работают аналогичным образом.

Керамические столбчатые волокна, ограниченные по длине и имеющие двухстороннее крепление в условиях изгиба, возникающего от действия центробежной силы, не будут подвергаться действию больших напряжений, что повысит долговечность покрытия. Кроме того, наличие нескольких слоев жаропрочного покрытия существенно снизит окисление основного материала лопатки, что также повысит долговечность покрытия.

Таким образом, предлагаемое покрытие позволит существенно повысить защиту лопатки, поскольку его можно делать значительно толще существующих, покрытие лучше защищает материал от окисления, это покрытие не будет иметь прогрессирующего разрушения, поскольку разрушение одного слоя не приведет к ускоренному окислению материала лопатки.

Многослойное высокотемпературное теплозащитное керамическое покрытие, преимущественно для рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей, состоящее из двух или более слоев, разделенных металлическими слоями, отличающееся тем, что материалы слоев, соединяющих керамические слои, выбирают таким образом, чтобы материал, имеющий меньший коэффициент теплового расширения, располагался в зоне действия более высоких температур, а материал, имеющий больший коэффициент теплового расширения, находился в зоне действия меньших температур, а керамические слои образованы столбчатыми керамическими волокнами, причем высота керамических волокон не превышает его двадцати максимальных характерных поперечных размеров.