Керамические покрытия лопаток ГТД

Рабочие лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) подвергаются воздействию интенсивных тепловых и механических нагрузок в условиях высокотемпературного коррозионного разрушения поверхности агрессивной внешней средой. В то же время необходимость повышения эффективности ГТД различного назначения требует увеличения рабочей температуры, которая ограничена температурой плавления жаропрочных сплавов на основе никеля. Наиболее эффективным средством защиты рабочих лопаток ГТД являются теплозащитные покрытия (ТЗП), поскольку их применение позволяет значительно (на 100°С и более) снизить рабочую температуру пера лопатки, либо поднять температуру рабочего газа перед турбиной.

 

 

Рисунок 4 – Теплозащитное покрытие (ТЗП), нанесенное на рабочую лопатку турбины высокого давления ГТД

 

Общая толщина однослойных жаростойких покрытий не превышает 150 мкм, двухслойных теплозащитных 200 мкм, трехслойных теплозащитных – 300 мкм. Толщина демпфирующего внутреннего слоя с пониженым содержанием Al (3-6% мас) в трехслойных теплозащитных покрытиях колеблется от 30 до 50 мкм, промежуточного жаростойкого 50-80 мкм внешнего керамического 80-120 мкм концентрация хрома, алюминия, иттрия, циркония, гафния, кремния в жаростойком слое составляют соответственно 18-24% мас, 10-130% мас, 04 – 1,8% мас, циркония, гафния, кремния от 0,05 до 0,2% мас. Дополнительное легирование сплавов MeCrAlY цирконием, гафнием и кремнием позволило, с одной стороны повысить жаростойкость однослойных многокомпонентных и композиционных жаростойких покрытий, с другой стороны при использовании указанных сплавов в качестве материала внутреннего демпфирующего и промежуточного жаростойкого слоев замедлить дифузионные процессы на границах основа – демпфирующий слой, промежуточный жаростойкий слой – внешний керамический слой и тем самым повысить ресурс покрытия в целом. Еще более существенное замедление дифузионных процессов в слоях, составляющих покрытия, наблюдается при выполнении промежуточного жаростойкого слоя в микрослойном варианте. При этом оптимальные характеристики достигаются при толщине чередующихся металлического и композиционного слоев от 0,5 до 1 мкм и концентрации дисперсных тугоплавких частиц (ZrО₂ - Y₂О₃ , Al₂О₃ ) в композиционном микрослое от 0,3 до 1% мас.

При конструировании теплозащитных покрытий (ТЗП) принципиальное значение приобретает формирование баръерного микрослоя на границе раздела промежуточный жаростойкий слой – внешний керамический слой. Обычно слой металлокерамики толщиной от 1 до 5 мкм на основе сложных шпинелей из Al₂О₃ , ZrО₂, Y₂О₃ , СrО₃ и сплава MeCrAlY получают с помощью специальных технологических приемов. Подобный баръерный слой тормозит образование оксидной ( Al₂О₃ ) пленки на границе раздела промежуточный – внешний слой теплозащитного покрытия. Если толщина пленки из Al2О3 достигает 10-15 мкм наблюдается отслоение внешнего керамического слоя ZrО₂ - Y₂О₃.

Двухслойные покрытия металл/керамика осаждаемые по двухслойной технологии широко применяются на предприятии «Зоря»-«Машпроект» г.Николаев Украина и обеспечивают ресурс работы лопаток первой ступени турбины газотурбинных агрегатов для перекачки газа до 25000 часов. В настоящее время завершены работы по оптимизации технологии нанесения двухслойных теплозащитных покрытий с внутренним композиционным слоем микрослойного типа с чередованием слоев СоCrAlY/СоCrAlY + ( ZrО₂ - Y₂О₃) и внешним керамическим слоем ZrО₂ - Y₂О₃. Подобные покрытия наносятся за один технологический цикл и должны обеспечить ресурс до 32000 часов.

Повышение долговечности ТЗП за счет изменения его конструкции наиболее целесообразно так как при этом нет необходимости вносить какие либо изменения в схему технологического процесса, что связано со значительными расходами. Корректировки в схеме конструкции ТЗП не ограничены возможностями электронно-лучевой технологии. В трехслойных покрытиях, как уже указывалось ранее, в качестве внутреннего демпфирующего слоя используют сплавы MeCrAlY , MeCrAlYSiHfZr с соотношением компонентов, обеспечивающие высокую пластичность (относительное удлинение при разрыве δ=2,5%) и достаточную жаростойкость. Этот слой служит для снижения напряжений в ТЗП, а также торможении и блокировки трещин развивающихся с поверхности вглубь основы. Промежуточный слой – композит повышенной жаростойкости и термостабильности. Третий внешний керамический на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидлм иттрия. Во внешний керамический слой могут дополнительно вводиться один или несколько тугоплавких боридов. Окисляясь бориды залечивают возникающие во внешнем керамическом слое микротрещины.

В настоящее время проводится поиск новых материалов для керамического слоя (КС), способных заменить систему ZrO₂–8%Y₂O₃ (YSZ). В статье рассмотрены преимущества и недостатки данной системы, даны описание и характеристики предлагаемых в отечественных и зарубежных источниках новых материалов для керамического слоя. Стоит отметить, что для достижения наилучших показателей системы ТЗП проводится поиск новых составов для жаростойкого соединительного слоя, а также разработка новых способов нанесения ТЗП и совершенствование существующих.
Покрытие YSZ обладает комплексом свойств, благодаря которым в настоящее время этот материал является наилучшим для нанесения керамического слоя ТЗП. Покрытие имеет один из самых низких из всех керамических материалов коэффициент удельной теплопроводности при повышенной температуре (≤2,3 Вт/(м·К) при 1000°C для плавленого материала) вследствие высокой концентрации точечных дефектов – вакансии кислорода и замещенных атомов растворенного вещества. Покрытие YSZ также имеет относительно высокий температурный коэффициент линейного расширения 11·10-6 К-1, что способствует снижению напряжений, являющихся результатом рассогласования термического расширения между керамическим покрытием и металлом лопатки. Максимальная рабочая температура поверхности с покрытием YSZ при эксплуатации не должна длительно превышать 1200°С – для предотвращения спекания керамики, которое ведет к увеличению коэффициента удельной теплопроводности.

Необходимо отметить, что для достижения теплозащитного эффекта в 100°С необходимо нанести слой керамики YSZ ~150 мкм, при этом весовые характеристики рабочих лопаток ТВД повышаются (~1 кг на каждый м2 трактовой поверхности лопатки). Снижения массы лопаток с ТЗП и увеличения проходного сечения газовоздушного тракта двигателя по сечению турбины можно достичь путем уменьшения толщины керамического слоя ТЗП, что возможно только путем снижения коэффициента теплопроводности керамического слоя.

Для получения керамических слоев низкой теплопроводности в ВИАМ разработаны технология и оборудование для магнетронного среднечастотного распыления мишеней на основе сплавов циркония с редкоземельными металлами с последующим плазмохимическим осаждением керамики в среде аргонокислородной плазмы. Магнетронный процесс обеспечивает преимущества по сравнению с электронно-лучевым методом нанесения ТЗП, среди которых можно отметить снижение энергопотребления до 20 раз и уменьшение массы и габаритных размеров установки более чем в 5 раз.
По данной технологии нанесены и испытаны при 1400°С керамические слои различных составов. Испытания проводили при 1400°С в течение 100 ч в высокотемпературной вакуумной печи с нагревателями из вольфрама. Образцы с керамическим покрытием размещали в камере печи на поддоне и проводили откачку воздуха до остаточного давления не более 0,01 Па, затем – ступенчатый нагрев до 1400°С и выдержку при этой температуре.

По результатам исследования установлено, что таким образом возможно получить столбчатую структуру КС покрытия, схожую со структурой, полученной методом электронно-лучевого нанесения (EB-PVD), которая позволяет снизить коэффициент теплопроводности и повысить термостойкость покрытия.

Таким образом, можно сделать вывод, что методом магнетронного среднечастотного распыления можно получать керамические слои с коэффициентом теплопроводности ~1,2–1,5 Вт/(м·К).[9-10]

5

Заключение

Использование керамического покрытия в двигателестроении в настоящее время широко используется из-за значительно отличающихся в лучшую сторону некоторых свойств. Практически все части двигателя подвергаются повышенным температурам. Керамические покрытия обеспечивают необходимое значение предельной температуры и повышают максимально возможную температуру на узлы, вследствие чего увеличиваются другие параметры двигателя.

Современное двигателестроение не может обойтись без керамического покрытия, так как с ним появляется больше пространства для разработок более выгодных и прочных устройств. Наблюдается возможность повышения порога температуры, что приводит к значительному усовершенствованию отдельных узлов и двигателя в целом.

Постоянное развитие сферы двигателестроения приводит к тому, что обычная вещь, такая как керамика, может стать очень важной частью ещё более важной части жизнедеятельности человека. Керамические покрытия очень хорошо зарекомендовали себя как в авиации, так и в других немаловажных областях:

· ракетостроение;

· производство;

· защита от различных воздействий на человека,

и на сегодняшний день, с уверенностью можно сказать, что развитие керамических покрытий и керамики в целом не будет стоять на месте, и продолжит совершенствоваться и всё больше использоваться в двигателестроении и в жизни человека в целом.

 

Библиографический список

1. www.viam.ru «Керамические и стеклокерамические материалы»

2. www.aliaxis-ui.ru «Керамика FRIALIT-DEGUSSIT материал будущего»

3. www.plackart.com «Термобарьерные покрытия»

4. www.fb.ru «Керамический материал: свойства, технология производства, применение»

5. Конспект лекций по дисциплине «Новые материалы в металлургии» / Авт. Зборщик А.М. – Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2008. – 253 с.

6. Техническая керамика, Балкевич В.Л., 1984

7. www.steeltimes.ru «Свойства и применение керамических материалов»

8. Сердобинцев Ю.П., Харьков М.Ю., Наззал Анан Се ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1.

9. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 13–19.

10. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов А.М. Современное состояние и основные тенденции развития высокотемпературных теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД //Авиационная промышленность. 2008. №4. С. 33–37.

 

⇐ Предыдущая1234

Поделиться: