Повышение термостойкости теплозащитных покрытий
Нанесение теплозащитных покрытий на лопатки ГТД позволяет значительно повысить их ресурс работы. В связи с этим представляет интерес изыскание материала покрытия с оптимальными свойствами, обеспечивающими выполнение этой задачи. Одним из таких материалов является оксид циркония. Из всех оксидов (наиболее стойких химических соединений, имеющих высокие температуры плавления), оксид циркония имеет минимальную теплопроводность и наиболее пригоден для целей теплозащиты (рис.1). С увеличением пористости (рис.2) коэффициент теплопроводности значительно падает. Для использования в качестве теплозащиты коэффициент теплопроводности покрытия не должен превышать 3 Вт/м.К.(для лопатки турбины ГТД). При плазменном напылении керамики пористость покрытия достигает 15- 20% и более, а это значит, что коэффициент теплопроводности покрытия < 1,5 Вт/м.К Таким образом, ZrO2 наиболее пригоден для применения. Однако в отличие от многих оксидов ZrO2 имеет полиморфизм. При нагреве моноклинная структура ZrO2 последовательно превращается в тетрагональную и кубическую. Охлаждение приводит к обратной модификации, причем переход из одной формы кристаллической решетки в другую связан с объемным изменением материала и его разрушением.С целью стабилизации оксида циркония в кубической (тетрагональной) форме необходимо образование твердых растворов с другими оксидами, кристаллизующимися совместно с ZrO2 в кубической устойчивой форме. Наиболее изученные и доступные это СаО, МgО, Y2О3, СеО2 и другие. 2 В настоящее время в авиационной промышленности используют твердый раствор ZrO2 – Y2О3 как наиболее устойчивый. Однако высокую термостойкость имеет лишь частично стабилизированный ZrO2 из-за образовании моноклинной фазы. Такой материал имеет меньший коэффициент термического расширения и большую пористость. Исследование термостойкости ZrО2 в зависимости от количества моноклинной фазы показало, что материал покрытия, содержащий 10-15% моноклинной фазы, имеет наибольшую термостойкость. Поэтому в качестве оптимального состава в авиационной промышленности используют ZrО2 марки ЦИ-7( с 7% Y2О3). За рубежом порошки оксидов выпускают фирмы “Praxair“ и “Sulzer Metco”. Порошки стабилизируются 7-20%мас. Y2O3; 19-24 %мас. МgO, 5-6% мас.Са.О
При использовании ZrO2 в турбинах высокого давления следует помнить, что ZrO2 для кислорода не является барьером. Поэтому особое внимание следует обратить на подслой, играющий роль барьера для кислорода между подложкой и керамикой : он должен быть сплошным (нанесенным HVOF или VPS) и жаростойким сплавом системы МеCrAlY. Особое внимание следует обратить на то, что в системе подложка-покрытие, максимальные напряжения находятся на границе подложка-подслой. Из этого следует, что снижение уровня этих напряжений, есть условие длительной работы покрытий. Такое снижение можно получить, если подвергнуть деталь после нанесения подслоя отжигу при Тотж.= О,8Тпл в течение 4 час. Это укрепит связь с подложкой и снизит напряжение.
Снижение уровня напряжений происходит и при увеличении пористости, что благоприятно и с точки зрения коэффициента термического расширения покрытия, однако это не всегда ведет к улучшению ресурсных характеристик. Так, при использовании спеченных или плавленых керамических материалов, пористость обеспечивается за счет несплошностей между напыленными 3 порошковыми частицами, и сильное увеличение пористости снижает когезию и, как результат, эрозионную стойкость, и термоусталостную прочность. Таким образом, исходя из вышесказанного, для обеспечения создания высокоработоспособного теплозащитного покрытия необходимо решить ряд проблем: - обеспечение коррозионной стойкости подслоя и адгезию как подслоя к основе, так и керамики к подслою, - получение заданной пористости керамического слоя, - обеспечение когезионной прочности и эрозионной стойкости керамики, - обеспечения низкого уровня напряжений в системе подслой-керамика. Причем вышеперечисленные проблемы касаются всех деталей горячего тракта газовой турбины лопаток ( сопловых и рабочих), камеры сгорания, сопла. В настоящей работе не рассматривается подслой как основной объект анализа. Однако полностью обойти его вниманием и использовать стандартный материал системы NiCrAlY будет означать, что неуспех гарантирован. Это связано с тем, что адгезия керамического слоя определяется адгезией оксидной пленки Al2O3, образующийся на границе раздела керамики – подслой (как сказано выше, ZrO2 проницаем для кислорода).
Как показывают современные исследования, химическое или наноструктурное модифицирование может обеспечить решение этой задачи. Оптимальным является химически модифицированный NiCrAlY-сплав. Легирование Si,Ta,Ce,Hf, а особенно Si и Ta совместно с Co, позволяет существенно улучшить адгезионную стойкость и плотность промежуточной оксидной пленки, а значит ее коррозионную стойкость и жаростойкость, а также адгезию керамики ZrO2-Y 2 O 3. Однако если мы рассматриваем рабочие лопатки, подвергающиеся интенсивным знакопеременным нагрузкам, желательно иметь покрытие максимально плотное, с высокой адгезией и когезией, низким уровнем напряжений. Данные характеристики не могут быть реализованы в покрытиях при плазменном напылении (на воздухе).
Среди газотермических процессов нанесения покрытий оптимальными считаются технологии VPS и LPPS(плазменное напыление в динамическом вакууме или в контролируемой атмосфере при пониженном давлении). Данные методы позволяют получать очень плотные покрытия с высокой адгезией сразу после напыления без термообработки. Границы раздела покрытие – основа обычно очень чистые (без включений), так как для очистки используется дуговой разряд обратной полярности. Высокая себестоимость является единственным недостатком этих методов. Развитие техники напыления в настоящее время, а именно методов высоскоростного напыления, позволяет формировать покрытие, практически не уступающие вакуумным покрытиям.
Гранулометрический состав 20-40 мкм, содержание кислорода в исходном материале составляет 0,12%. Параметры покрытий даны без термообработки. Показанные в таблице 3 параметры покрытий показывают, что практически единственный параметр для HVOF-системы уступает VPS по состоянию границы раздела, однако последующая термообработка практически выравнивает результаты. В связи с вышеизложенным и результатами наработок по исследованию жаростойких покрытий в настоящее время базовой технологией для лопаток принимается метод HVOF (высокоскоростное напыление). Заданная пористость(15-17%) может обеспечиваться несколькими методами. Это определяется тем, что Zr02-Y203 в порошком виде для напыления обычно получается по двум технологическим системам: - Sintered and Crash(спекание и дробление), или - Fuse and Crush (плавление и дробление). Полученные порошки, если они не подвергаются специальному оплавлению, имеют нерегулярную форму и высокую насыпную плотность (до 4,8-5,0 г/cм 3 ).
При нанесении покрытий происходит почти полное оплавление частиц и остаточная пористость формируется за счет полостей в покрытии, образующихся между отдельными частицами. Данный процесс является не контролируемым, несплошности в покрытии являются концентраторами напряжений и, соответственно, центрами зарождения трещин, как в поперечных, так продольных, которые вызывают разрушение покрытий (выкашивание). Это наблюдается при термоусталостных испытаниях.