Многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие для детали из жаропрочного сплава

Изобретение относится к покрытию деталей из жаропрочного сплава и может быть использовано при изготовлении деталей газовой турбины, в частности турбинных лопаток или теплозащитных экранов. Многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие для детали из жаропрочного сплава состоит из двух или более слоев из диоксида циркония, разделенных жаростойкими металлическими слоями, при этом поверхность верхнего слоя из диоксида циркония модифицирована ионами щелочного или щелочноземельного металла с образованием участков с работой выхода электронов ниже работы выхода электронов остальной поверхности. Обеспечивается повышение надежности и долговечности защитных покрытий деталей из жаропрочных сталей от теплового и механического воздействия со стороны агрессивных высокотемпературных сред, движущихся относительно защищаемых деталей из жаропрочных сталей с большими скоростями. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к покрытию детали из жаропрочного сплава и может быть использовано при изготовлении деталей газовой турбины Газотурбинных установок (ГТУ) и Газотурбинных двигателей (ГД), в частности турбинных лопаток или теплозащитных экранов, или других объектов, испытывающих нагрев со стороны обтекающего их высокотемпературного потока газа.

Известно теплозащитное покрытие по Патенту №2392349 «ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ДЕТАЛИ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, ИЛИ НИКЕЛЯ, ИЛИ КОБАЛЬТА», которое содержит наружный керамический слой со структурой пирохлора Gdv(ZrxHfy)Oz, изготовленный из смеси с соотношением гафния и циркония, составляющим 10:90 или 20: 80, или 30:70, или 40:60, или 50:50, или 60:40, или 70:30, или 80:20, или 90:10.

Известно теплозащитное покрытие по Патенту №2423550 «ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛОПАТОК ТУРБИН И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ», который включает формирование на защищаемой поверхности лопатки металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя. Переходный металлокерамический слой по его толщине формируют с пошаговым изменением соотношения содержания металла к керамике от 1% до 20% весовых на шаг, с уменьшением количества металла по толщине переходного слоя от 100% до 0%, при толщине переходного слоя от 8 мкм до 100 мкм.

Недостатком аналогов является низкая теплопроводность материала, которая способствует возникновению больших температурных градиентов и температурных напряжений, которые могут явиться причиной разрушения защитного покрытия и защищаемого объекта, например, Лопатки Турбины (ЛТ) Газотурбинного Двигателя (ГД) и Газотурбинной Установки (ГТУ).

Прототипом Заявляемого Изобретения Является многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие по Патенту US №5089292 «Fieldemissioncathodearraycoatedwithelectronworkfunctionreducingmaterial, andmethod», которое представляет собой поверхность, выполненную в виде модифицированного слоя щелочного или щелочноземельного металла. Такое покрытие характеризуется низкой работой выхода электронов (РВЭ), что приводит в большей термоэмиссии и электронному охлаждению при нагреве. В результате повышается долговечность защищаемого изделия.

Недостатком прототипа также является то, что данное покрытие работает в вакууме или при очень малых давлениях. При этом на воздухе быстро окисляется и уносится при малейшем механическом воздействии.

Технической задачей, является повышение надежности и долговечности защитных покрытий деталей из жаропрочных сталей от теплового и механического воздействия со стороны агрессивных высокотемпературных сред, движущихся относительно защищаемых деталей из жаропрочных сталей с большими скоростями.

Указанная техническая задача решается тем, что поверхность внешнего слоя покрытия модифицируют путем ионной имплантации щелочных или щелочноземельных элементов, например, цезия, бария, натрия, калия и др. в верхний слой покрытия при бомбардировки пучком ионов этих элементов, ускоренных до энергий 20-70 кэВ, либо диффузией щелочных или щелочноземельных элементов из газовой фазы. Это приводит к снижению РВЭ участков поверхности внешнего слоя покрытия, повышению на данной основе его термоэмиссии и электронного охлаждения, снижению средней температуры и температурных градиентов. Таким образом улучшаются прочностные характеристики покрытия, а также надежность и долговечность защищаемого объекта.

При работе покрытия происходит термоэлектронная эмиссия из материалов покрытия. Явление термоэлектронной эмиссии обеспечивает больший отвод тепловой энергии нагрева электронами эмиссии при большей температуре защищаемой поверхности. Это означает, что при неравномерно распределенном нагреве объекта защиты, обтекаемого потоком высокотемпературного газа, снизятся максимальные температуры поверхности защитного покрытия, возникнет меньший перепад температур и меньшие температурные напряжения в материале покрытия, а значит увеличивается надежность и долговечность покрытий и защищаемых объектов, например, лопаток турбин при уменьшении массы материалов покрытия.

При нагреве обтекаемой поверхности с модифицированным внешнем слоем будет происходить термоэлектронная эмиссия электронов. Причем, чем выше тепловые потоки нагрева, тем быстрее увеличивается температура. Однако, при более низкой работе выхода участка поверхности небольшое увеличение температуры поверхности вызовет больший рост плотности тока эмиссии и электронного охлаждения. Вышедшие электроны при этом сносятся обтекающим защищаемый объект потоком газа и переносятся на участки защищаемой поверхности с более низкой температурой. Для лопаток турбин это может быть, например, зона задней кромки. Далее электроны, за счет температурной разности потенциалов между поверхностями термоэлектронной эмиссии и восприятия электронов, внутри слоев покрытия возвращаются в более высокотемпературную область. При этом происходит выравнивание температур по поверхности защищаемого объекта, и снижаются температурные напряжения по сравнению с Прототипом. При этом в случае переменных тепловых нагрузок на защищаемый объект с изменением области максимального нагрева, которая в свою очередь станет областью с максимальным электронным охлаждением.

Техническим эффектом, достигаемым при реализации Изобретения, является снижение максимальной температуры защищаемого объекта, снижение температурных перепадов и напряжений. Все это приводит к повышению надежности и долговечности покрытия и защищаемого объекта. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет управлять процессом защиты объекта. Так для достижения более высоких значений контактной разности потенциалов между участками эмиссии электронов и участками восприятия электронов можно снизить РВЭ участка эмиссии электронов меньше, чем РВЭ участка восприятия электронов. Таким образом, за счет контролируемого снижения РВЭ для каждого участка обтекаемой поверхности защищаемого объекта можно управлять распределением тепла, задавая участки эмиссии электронов и участки восприятия электронов из потока обтекающего газа. То есть формируется «умный» теплозащитный слой.

На чертеже изображено заявляемое теплозащитное покрытие.

Многослойное покрытие, нанесенное на поверхность лопатки турбины 1, состоит из слоев 2 двуокиси циркония, разделенных слоями 3, 4, 5 жаростойких материалов, области 6 и 7 с пониженной РВЭ.

Заявляемое изобретение работает следующим образом.

При нагреве поверхности защищаемого объекта, например, продуктами сгорания топливовоздушной смеси, с поверхности верхнего слоя из области 6 верхнего слоя 2 покрытия начинают выходить и уносится потоком газа «горячие» электроны, охлаждая при этом область 6 верхнего слоя покрытия, то есть температура области становится ниже, по сравнению со случаем если в области 6 РВЭ не снижена. То есть максимальная температура ЛТ при работе достигается в области передней кромки. При снижении же РВЭ области передней кромки, температура также максимальна, по отношению к остальной поверхности, однако, в данном случае она становится ниже.

При этом чем выше температура нагретых областей защитного покрытия, например, передней кромки лопатки турбин, тем больше отводится тепловой энергии.

Далее газ движется вдоль поверхности защищаемого объекта. Одновременно, электроны из потока рабочего тела проникают в материал покрытия в области 7 с более низким значением РВЭ, чем в области 6, частично нагревая ее. При этом происходит автораспределение функций КАТОДА и АНОДА между областями 6 и 7верхнего слоя 2 покрытия одного и того защищаемого объекта, имеющих при этом различную температуру, то есть между ними возникает контактная разность потенциалов. Далее электроны вдоль слоев 1-5 покрытия из менее нагретой области защищаемого объекта возвращаются в более нагретую. При движении от менее нагретой области защищаемого объекта к более нагретому происходит выделение тепловой энергии за счет движения электрического тока, то есть Джоулев нагрев, что означает перераспределение тепла более интенсивного нагрева области 6 по толщине защитного покрытия.

Покрытие может сформировано с применением современных технологий нанесения покрытий на детали ГТУ и ГД.

Пример. На лопатку турбины (ЛТ) вакуумно-плазменным методом наносят металлический слой состава Co-32Cr-3Al-1Y. Далее ЛТ подвергают отжигу в вакууме. Далее магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы на ЛТ наносят второй слой ZrO2 с последующим отжигом в вакууме. Далее вакуумно-плазменным методом наносят металлический слой Co-26Cr-9Al-1Y и также проводят отжиг в вакууме. Магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы на ЛТ наносят четвертый слой ZrO2 с отжигом в вакууме. Далее вакуумно-плазменным методом на ЛТ наносят слой Co-22Cr-13Al-1Y. Далее отжиг в вакууме. После магнетронным среднечастотным плазмохимическим методом в среде аргонно-кислородной плазмы на ЛТ наносят шестой верхний слой ZrO2. Производят отжиг в вакууме. Далее производят процесс ионной имплантации участков поверхности ионами Цезия разогнанных до энергий 20-60 кэВ до достижения доз имплантации 1015-1017 ион/см2 с последующим отжигом в вакууме при температуре 500-800°С в течении 5-8 часов. Таким образом, обеспечивается снижение РВЭ областей верхнего слоя ZrO2 и получается покрытие со частично сниженной работой выхода - термоэмиссионно-защитное покрытие.

Стоит отметить, что состав и количество промежуточных слоев выбирают из соображений обеспечения работоспособности покрытия в условиях функционирования защищаемого объекта, например, ЛТ. Например, покрытие может сформировано их металлического подслоя, переходного металлокерамического слоя и внешнего керамического слоя любыми методами нанесения покрытий. При этом для каждого слоя можно произвести ионную имплантацию или диффузное насыщение из газовой фазы щелочными и щелочноземельными химическими элементами, например, цезием или барием с последующим отжигом, для обеспечения заданного снижения РВЭ.

Таким образом, при реализации Изобретения решается поставленная техническая задача и достигается технический эффект, который заключается в том, что происходит выравнивание поля температур защищаемого объекта, снижение на данной основе максимальных температур и температурных напряжений на поверхности, а значит повышается надежность и долговечность защищаемого объекта, например, лопаток турбин или передних кромок высокоскоростных летательных аппаратов.

Заявляемое изобретение может найти применение при модернизации существующих объектов, например, ГТУ и ГД без внесения изменений в технологический процесс. Для этого необходимо произвести разбор турбины ГТУ или ГД, изъять ЛТ, поместить в камеру установки ионной имплантации, произвести ионную имплантацию и вернуть ЛТ обратно в турбину, а турбину в ГТУ и ГД.

Многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие для детали из жаропрочного сплава, отличающееся тем, что оно состоит из двух или более слоев из диоксида циркония, разделенных жаростойкими металлическими слоями, при этом поверхность верхнего слоя из диоксида циркония модифицирована ионами щелочного или щелочноземельного металла с образованием участков с работой выхода электронов ниже работы выхода электронов остальной поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу нанесения теплозащитного покрытия на лопатки турбин, работающих при высоких температурах в высоконагруженных двигателях. Наносят многослойное покрытие.

Изобретение относится к поверхностной обработке алюминированного стального листа под горячее прессование. Предложенный раствор содержит водную дисперсию ZnO (A) и диспергируемую в воде органическую смолу (B), причем водная дисперсия ZnO (A) содержит воду и частицы ZnO, имеющие средний размер частиц 10-300 нм, а диспергируемая в воде органическая смола (B) имеет средний размер частиц эмульсии 5-300 нм, и массовое соотношение (WA/WB) массы (WA) частиц ZnO в водной дисперсии ZnO к массе (WB) твердого содержимого в диспергируемой в воде органической смоле составляет от 30/70 до 95/5.

Изобретение относится к нанесению двухслойного покрытия и может быть использовано при повышении эксплуатационных свойств деталей, например, в авиадвигателестроении.

Изобретение относится к получению стальных деталей, упрочненных под прессом и изготавливаемых из листов, содержащих покрытие на основе алюминия и цинковое покрытие, и обладающих хорошими характеристиками в отношении фосфатирования и, следовательно, хорошим сцеплением с краской.

Изобретение относится к получению металлического материала с нефосфатным покрытием для процесса холодновысадочной пластической обработки. Предложена металлическая заготовка с нефосфатным покрытием для процесса пластической обработки и способ ее получения, включающий предварительную обработку поверхности металлического материала заготовки, нанесение слоя покрытия путем погружения металлического материала в агент для нанесения покрытия и нанесение смазывающего слоя.

Изобретение относится к изготовлению закаленных деталей из листовой стали с нанесенным покрытием на основе алюминия. Способ включает получение листовой стали с предварительно нанесенным металлическим покрытием, содержащим от 4,0 до 20,0 мас.% цинка, от 1,0 до 3,5 мас.% кремния, необязательно от 1,0 до 4,0 мас.% магния и необязательно дополнительные элементы, выбранные из Pb, Ni, Zr или Hf, и остальное - алюминий и неизбежные примеси, причем соотношение Zn/Si находится в диапазоне от 3,2 до 8,0, получение заготовки, ее термическую обработку при температуре в диапазоне от 840 до 950°С для получения в стали полностью аустенитной микроструктуры, горячую формовку заготовки для получения детали, охлаждение детали с получением в стали микроструктуры, являющейся мартенситной или мартенситно-бейнитной или образованной из по меньшей мере 75% равноосного феррита, от 5 до 20% мартенсита и бейнита в количестве, меньшем или равном 10%, и фосфатирование.

Группа изобретений относится к области транспорта. Способ изготовления тормозного диска, в котором фрикционный слой расположен в некоторых областях на основном корпусе тормозного диска.
Изобретение относится к области материаловедения, в том числе к созданию защитных керамоматричных покрытий на поверхности стали, обладающих высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах при температурах контактного взаимодействия 400-600°С за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев.

Изобретение относится к панели для транспортного средства, включающей стальной лист с покрытием, местами укрепленный, способу изготовления панели и использованию панели и может быть использовано для производства частей автомобильных транспортных средств.

Изобретение относится к технологии формирования термостойкого влагозащитного покрытия на поверхности теплонапряженных металлоконструкций и может быть использовано при изготовлении выхлопных труб газотурбинных установок топливно-энергетических комплексов: газоперекачивающих агрегатов, газотурбинных электростанций.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для защиты от эрозионного износа стальных рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, подвергающихся высокоскоростному каплеударному воздействию в коррозионно-активных средах при повышенных усталостных нагрузках.

Изобретение относится к получению стальных деталей, упрочненных под прессом и изготавливаемых из листов, содержащих покрытие на основе алюминия и цинковое покрытие, и обладающих хорошими характеристиками в отношении фосфатирования и, следовательно, хорошим сцеплением с краской.
Изобретение относится к способу получения многослойного защитного покрытия на лопатках моноколеса из титанового сплава от пылеабразивной эрозии и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроению.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения.
Изобретение относится к способу упрочнения лопаток блиска из легированных сталей. Осуществляют упрочняющую обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку лопаток.
Изобретение относится к способу упрочняющей обработки лопаток моноколеса из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.
Изобретение относится к способу упрочняющей обработки лопаток блиска из легированных сталей и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.
Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.
Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава. Способ включает ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток энергией от 20 кэВ до 35 кэВ и дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2,0⋅1017 см-2 с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев.
Изобретение относится к способу упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к покрытию деталей из жаропрочного сплава и может быть использовано при изготовлении деталей газовой турбины, в частности турбинных лопаток или теплозащитных экранов. Многослойное термоэмиссионно-защитное покрытие для детали из жаропрочного сплава состоит из двух или более слоев из диоксида циркония, разделенных жаростойкими металлическими слоями, при этом поверхность верхнего слоя из диоксида циркония модифицирована ионами щелочного или щелочноземельного металла с образованием участков с работой выхода электронов ниже работы выхода электронов остальной поверхности. Обеспечивается повышение надежности и долговечности защитных покрытий деталей из жаропрочных сталей от теплового и механического воздействия со стороны агрессивных высокотемпературных сред, движущихся относительно защищаемых деталей из жаропрочных сталей с большими скоростями. 1 ил., 1 пр.

Наверх