Многослойное теплозащитное покрытие

Изобретение относится к многослойному теплозащитному покрытию на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности. Многослойное теплозащитное покрытие включает основной металлический подслой, выполненный из сплава на основе никеля, верхний керамический теплозащитный слой и дополнительный металлический жаростойкий подслой между основным подслоем и керамическим слоем. Основной металлический подслой содержит 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 11…14% алюминия и 0,1…0,7 иттрия. Верхний керамический теплозащитный слой выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO₂, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y₂O₃. Дополнительный металлический жаростойкий подслой выполнен из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 10…13% алюминия и 0,1…0,7 иттрия. Техническим результатом является защита от воздействия высоких температур, эрозии и коррозии с помощью формирования долговечных теплозащитных покрытий. 1 пр.

 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности, и может быть использовано для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.

Традиционно для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии используются керамические теплозащитные покрытия. Современное теплозащитное покрытие состоит из нескольких слоев. На поверхность детали сначала наносится жаростойкое покрытие для защиты от высокотемпературной коррозии и окисления. Самыми распространенными материалами на данный момент являются сплавы систем MCrAlY (M=Ni, Co) и Ni(Pt)-Al - они термически и химически совместимы с суперсплавами, из которых изготавливаются детали газотурбинного двигателя, и оказывают минимальное влияние на их свойства. Жаростойкие покрытия традиционно наносят методами плазменного напыления (на воздухе - APS или в вакууме - VPS), высокоскоростного напыления (на воздухе - HVOF) и рядом вакуумно-плазменных методов. В ходе эксплуатации на поверхности жаростойкого покрытия образуются оксиды роста - TGO. Формирование оксидов роста неизбежно и целью разработчиков является образование оксидов оста в виде α-Al₂O₃, чтобы его рост является медленным, однородным и бездефектным. Такой оксид роста имеет очень низкую проводимость по кислороду и благодаря этому создает превосходный диффузионный барьер, замедляя дальнейшее окисление металлического подслоя.

Верхний керамический слой ТБП призван снизить температуру детали за счет низкой теплопроводности. Традиционно используются материалы на основе диоксида циркония, стабилизированного 6-8% по массе оксида иттрия (7YSZ). Этот материал обладает уникальным сочетанием свойств - он имеет один из самых низких коэффициентов теплопроводности (2,3 Вт/м·К при 1000°C для плотного материала) и стабильно высокий коэффициент теплового расширения (11·10^-6 1/°C в диапазоне 20-1000°C). YSZ имеет относительно низкую плотность (6,4 г/см³), что является существенным при рассмотрении избыточного веса. Он имеет твердость 14 ГПа, которая придает покрытию стойкость к воздействию инородных предметов и эрозии, а также хорошую коррозионную стойкость при повышенных температурах. Наконец, YSZ имеет высокую температуру плавления (2700°C).

Чистый диоксид циркония ZrO₂ имеет три полиморфные модификации (моноклинную при T<1446K, тетрагональную при T<2643K и кубическую T>2643K). Для применения в качестве материала теплозащитного покрытия необходимо стабилизировать оксидом иттрия Y₂O₃ (5-9% по массе) тетрагональную фазу, поскольку она обладает наилучшим сочетанием термических и механических свойств. После напыления порошка YSZ и термообработки покрытия основной фазой является нетрансформируемая тетрагональная t′-YSZ - она не подвергается фазовым превращениям при термоциклическом воздействии. Ресурс такого покрытия при температурах до 1100°C достаточно велик. При длительной эксплуатации при температуре более 1200°C происходит ее постепенная дестабилизация по следующему механизму:

$$t^{\prime }-YSZ\to t-YSZ+c-YSZ\to m-YSZ+c-YSZ$$

Образовавшаяся трансформируемая тетрагональная фаза t-YSZ подвержена фазовому переходу в моноклинную m-YSZ и кубическую фазы c-YSZ, который протекает с изменением объема элементарной ячейки на 4% и приводит к полному разрушению покрытия.

Стабилизация структуры диоксида циркония окисью иттрия приводит к образованию в кристаллической структуре вакансий на позициях атомов кислорода. Атомы кислорода при повышении температуры до 1000-1100°C с высокой скоростью начинают перемещаться по вакансиям кристаллической решетки от поверхности покрытия к границе между YSZ и металлическим подслоем, приводя к формированию оксидов роста (ТGО). Скорость диффузии кислорода по структуре YSZ и, соответственно, скорость роста TGO зависит в основном от двух факторов - содержания стабилизирующей добавки (максимум при 10% мольн. Y₂O₃) и температуры (увеличение на порядок при росте температуры с 1100 до 1200°C).

Рост TGO в ходе эксплуатации газотурбинного двигателя - один из самых важных факторов, определяющих срок службы теплозащитного покрытия. По достижении определенной толщины TGO (5-7 мкм) верхний керамический слой теплозащитного покрытия скалывается из-за напряжений роста и термических напряжений, связанных с рассогласованием коэффициентов термического расширения (КТР). Таким образом, для увеличения ресурса теплозащитного покрытия необходимо снижение скорости диффузии кислорода через керамический слой теплозащитного покрытия.

Скорость роста TGO и его фазовый состав определяется не только скоростью диффузии кислорода через керамический слой, но и химическим составом металлического подслоя, а также его микроструктурой. Алюминий является основным элементом, влияющим на этот процесс. После напыления и термообработки металлического подслоя его структуру составляют две основные фазы: γ-твердый раствор на основе Ni(Co) и β-фаза состава Ni(Co)Al, которая является основным источником алюминия для роста пленки TGO. В ходе эксплуатации покрытия образуется зона, обедненная алюминием, и вероятность образования рыхлого TGO в виде шпинелей Ni(Co)Cr(Al)₂O₄ повышается. Соответственно, содержание β-Ni(Co)Al определяет долговечность покрытия в целом.

Из уровня техники известно многослойное теплозащитное покрытие на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности, включающее основной металлический жаростойкий подслой и верхний керамический теплозащитный слой (RU 2375499 C2, МПК C23F 17/00, C23C 14/16, C23C 4/08, C23C 4/10, опубликовано 10.12.2009). Известное решение позволяет получить долговечное теплозащитное покрытие, однако имеет ряд технологических недостатков, которые заключаются в обилии технологических операций, в том числе выполняемых в условиях пониженного давления. Поскольку размеры деталей горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности значительно выше, чем авиационных двигателей, это приведет к значительному повышению стоимости нанесения покрытий.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является продление ресурса деталей горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности.

Техническим результатом является защита от воздействия высоких температур, эрозии и коррозии с помощью формирования долговечных теплозащитных покрытий.

Желаемый технический результат достигается тем, что многослойное теплозащитное покрытие на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности включает основной металлический подслой, выполненный из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 11…14% алюминия и 0,1…0,7 иттрия, верхний керамический теплозащитный слой, выполненный из материала на основе диоксида циркония ZrO₂, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y₂O₃, а между основным металлическим подслоем и верхним керамическим теплозащитным слоем выполнен дополнительный металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 10…13% алюминия и 0,1…0,7 иттрия.

На материал детали после подготовки поверхности наносится основной металлический жаростойкий подслой, который выполнен из материала на основе сплавов системы NiCoCrAlY. Рабочие характеристики этих сплавов определяются их способностью формировать вязкую защитную пленку TGO, которая исключает любые взаимодействия между поверхностью основного сплава и внешней коррозийной окружающей средой. Основа этой защитной пленки - оксид алюминия. Хотя другие элементы, входящие в состав покрытия, могут также сформировать защитную пленку, они не являются столь же эффективными, как оксид алюминия. Содержание алюминия в NiCoCrAlY необходимо поддерживать на уровне 11…14%. Хром вводится в сплав в количестве 14…20% - он понижает количество алюминия, необходимое для формирования и сохранения защитной оксидной пленки, а также придает превосходную коррозионную устойчивость. Содержание иттрия должно составлять 0,1…0,7% - он обеспечивает увеличение адгезии TGO к металлическому слою и связывание серы. Кобальт вводится в состав сплава для увеличения стойкости к высокотемпературной коррозии, его содержание должно составлять 18… 25%. Основной металлический слой может быть нанесен методом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) для получения плотных покрытий с высокой адгезией и минимизации окисления материала в ходе напыления. Основной металлический слой может иметь толщину 20-150 мкм.

На поверхность основного металлического подслоя наносится дополнительный металлический жаростойкий подслой, который выполнен из материала на основе сплавов системы NiCoCrAlY. Химический состав материала выбран на тех же основаниях, что и для основного металлического подслоя, но содержание алюминия в нем должно быть не более 13%. Дополнительный металлический слой может быть нанесен методом плазменного напыления на воздухе (APS) для получения покрытий с высокой шероховатостью, которая необходима для увеличения адгезии верхнего керамического слоя. Дополнительный металлический слой может иметь толщину 10-50 мкм.

Верхний керамический теплозащитный слой выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO₂, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y₂O₃. Содержание оксидов щелочных и щелочно-земельных элементов не должно превышать 0,5% по массе. Верхний керамический слой может быть нанесен методом плазменного напыления на воздухе (APS) для получения покрытий с низким коэффициентом теплопроводности. Верхний керамический слой может иметь толщину 120-750 мкм.

Заявляемый технический результат достигается только при выполнении в заявляемой последовательности нанесения слоев. В случае, если последовательность нанесения слоев, методы их нанесения и их толщины будут нарушены в силу вышеизложенного, технический результат достигнут не будет.

Пример

На поверхность жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя нанесли теплозащитное покрытие, включающее три слоя: методом высокоскоростного напыления основной металлический подслой на никелевой основе (Ni-22Co-17Cr-13Al-0,4Y), методом плазменного напыления на воздухе дополнительный металлический подслой на никелевой основе (Ni-20Co-18Cr-12Al-0,6Y) и методом плазменного напыления на воздухе верхний керамический слой на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO₂-7Y₂O₃).

По данным проведенных испытаний на жаростойкость и термоциклирование, нанесение на поверхность основного металлического подслоя Ni-22Co-17Cr-13Al-0,4Y дополнительного металлического подслоя Ni-20Co-18Cr-12Al-0,6Y с высокой шероховатостью позволяет обеспечить необходимую стойкость покрытия к воздействию высоких температур и коррозии, а также повысить адгезию верхнего керамического подслоя ZrO₂-7Y₂O₃ к металлическому подслою.

Многослойное теплозащитное покрытие на детали горячего тракта энергетических газотурбинных установок большой мощности, включающее основной металлический жаростойкий подслой и верхний керамический теплозащитный слой, отличающийся тем, что основной металлический жаростойкий подслой выполнен из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 1…14% алюминия и 0,1…0,7 иттрия, а верхний керамический теплозащитный слой выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO₂, частично стабилизированного 6…8% по массе оксида иттрия Y₂O₃, причем между основным металлическим жаростойким подслоем и верхним керамическим теплозащитным слоем выполнен дополнительный металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля, содержащего 18…25% кобальта, 14…20% хрома, 10…13% алюминия и 0,1…0,7 иттрия.