Лопатка турбины газотурбинного двигателя с жаростойким покрытием

Полезная модель относится к энергетическому турбиностроению и может быть использована при изготовлении и восстановлении турбинных лопаток для их защиты от высокотемпературной газовой коррозии с помощью жаростойких покрытий. Технический результат заявляемой полезной модели заключается в выигрышном сочетании эксплуатационно надежного двухслойного жаростойкого покрытия на основе повышающего адгезию покрытия никельсодержащего связующего подслоя с фазовым составом - никель-алюминиевой (+y')-фазой с пониженным содержанием y'-фазы (в связи с исключением после нанесения слоя указанного связующего отжига) и рабочего керамического слоя диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, с технологичным и улучшенным (одинаковым) газо-плазменным поочередным напылением обоих слоев на воздухе. Для достижения указанного технического результата предлагается лопатка турбины газотурбинного двигателя с жаростойким покрытием, содержащая перо со связующим подслоем на его поверхности, имеющим фазовый состав на основе интерметаллидной никель-алюминиевой (+y')-фазы и рабочим керамическим слоем на основе диоксида циркония, характеризующаяся тем, что связующий подслой сформирован для уменьшения образования в нем y'-фазы газо-плазменным напылением на воздухе на поверхность пера порошковой смеси на основе интерметаллидной никель-алюминиевой -фазы без последующего отжига, а рабочий керамический слой на основе диоксида циркония нанесен на указанный связующий подслой, также путем газо-плазменного напыления на воздухе.

Полезная модель относится к энергетическому и авиационному турбиностроению и может быть использована при изготовлении и восстановлении турбинных лопаток, работающих в условиях воздействия рабочих газов и высоких температур, для защиты этих лопаток от высокотемпературной газовой коррозии с помощью жаростойких покрытий.

Наиболее распространенной в эксплуатации в указанных условиях конструкцией турбинной лопатки, выполненной из жаропрочного никелевого сплава, является перо лопатки с нанесенным на его поверхности защитным покрытием на основе адгезионного (связующего) подслоя и рабочего слоя, выполняющего защитную функцию, например многокомпонентного металлического (CoCrAlY) подслоя и керамического (ZrO₂·12Y₂O₃) слоя (см. книгу Никитина В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. Л., «Машиностроение», 1987, с.6, 209).

При этом основной проблемой реализации такой конструкции турбинной лопатки в отношении оптимального сочетания технологичности изготовления и эксплуатационных качеств лопатки является производственная задача выбора метода нанесения защитного покрытия и материала связующего подслоя и рабочего слоя защитного покрытия.

Так уровень техники в области нанесения жаростойких покрытий турбинных лопаток характеризуется традиционными методами газо- и вакуумно-плазменных и электронно-лучевых напылений, а также методом диффузионного алитирования поверхности лопаток (см. указанную книгу Никитина В.И., с.201-209).

Основными недостатками этих методов являются невысокая технологичность методов вакуумно-плазменного и электроннолучевого напыления и недостаточно высокая производственная эффективность применяемого оборудования.

При этом недостаточно высокая эффективность выигрышного технологически газо-плазменного напыления на воздухе таких известных материалов, как сплавы на основе никеля и кобальта, в том числе типа Me-Cr-Al-Y, алюминиды, силициды, карбиды, оксиды ZrO₂-Y₂ O₃(MgO), Al₂O₃, выражается в сопутствующих пористости и низкой адгезии покрытия с подложкой, снижающих ресурс жаростойкого покрытия (см. книгу Гецова Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. М., «Недра», 1996, с.335-337).

Известна турбинная лопатка (см. патент РФ 2272089, С23С 28/00, 2006), жаростойкое покрытие которой конструктивно решено формированием (на первом этапе) хромоалитированного слоя на всей поверхности пера лопатки - жаростойкого покрытия, переходящего в результате дополнительного электронно-лучевого напыления (на втором этапе) на входные кромки лопатки слоя керамики ZrO₂-8Y₂O₃ и последующего отжига в слой со структурой ZrO₂-8Y₂O₃ -+y' на этих участках лопатки.

Данный аналог также имеет недостаточно высокую технологичность изготовления турбинной лопатки в связи с комбинированным характером жаростойкого покрытия, для получения которого предусмотрены хромоалитирование в вакууме в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой на первом этапе и изложенные операции на втором этапе. Кроме того, отжиг на втором этапе способствует увеличению образования y'-фазы.

Другие известные аналоги турбинной лопатки с защитным покрытием (см. например, патенты РФ 2078148, С23С 14/06, С23С 14/56, 1997; 2349679, С23С 14/30, С23С 10/56, С23С 28/00, 2009) представляют собой технические решения лопаток с нанесенными многослойными жаропрочными покрытиями, свойства которых хоть и присутствуют в эксплуатационных качествах керамического покрытия, но выходят за рамки решаемой технической задачи в заявляемой полезной модели.

Заявителем выбран допускаемый вариант оформления настоящей заявки на полезную модель без прототипа в связи с отсутствием доступного аналога турбинной лопатки с жаростойким покрытием, близкого по технической сущности для корректного сравнения решения обеспечения жаростойкости турбинной лопатки с точки зрения выбора оптимального сочетания конструкции лопатки с покрытием (включая конструктивный состав покрытия), материала и методов нанесения слоев покрытия.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в выигрышном сочетании эксплуатационно надежного двухслойного жаростойкого покрытия на основе повышающего адгезию покрытия никельсодержащего связующего подслоя с фазовым составом - никель-алюминиевой (+y')-фазой с пониженным содержанием y'-фазы (в связи с исключением после нанесения слоя указанного связующего отжига) и рабочего керамического слоя диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, с улучшенным технологичным газо-плазменным поочередным напылением обоих слоев на воздухе.

При этом предлагаемая турбинная лопатка характеризуется подобранным экспериментально материалом и режимом нанесения указанного связующего подслоя, позволяющем обеспечить повышенный ресурс лопатки более плотный газо-плазменный связующий подслой с меньшей общей пористостью.

Для достижения указанного технического результата предлагается лопатка турбины газотурбинного двигателя с жаростойким покрытием, содержащая перо со связующим подслоем на его поверхности, имеющим фазовый состав на основе интерметаллидной никель-алюминиевой (+y')-фазы и рабочим керамическим слоем на основе диоксида циркония, характеризующаяся тем, что связующий подслой сформирован для уменьшения образования в нем y'-фазы газо-плазменным напылением на воздухе на поверхность пера порошковой смеси на основе интерметаллидной никель-алюминиевой -фазы без последующего отжига, а рабочий керамический слой на основе диоксида циркония нанесен на указанный связующий подслой также путем газо-плазменного напыления на воздухе.

В частном случае выполнения жаростойкое покрытие предлагаемой лопатки состоит из связующего подслоя на основе интерметаллидной никель-алюминиевой (+y')-фазы при содержании y'-фазы ~20%, толщиной 80-120 мкм и рабочего керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, толщиной 100-150 мкм.

При этом указанный связующий подслой сформирован газоплазменным напылением на воздухе на поверхность пера порошковой смеси марки ПНХ20К20Ю13-1 с дисперсностью ~80 мкм при токе дуги 450 А, дистанции напыления 80 мм и расходе газа 30 л/мин.

В примере выполнения заявляемой лопатки турбины высокого давления из никелевого сплава In 738 на перо методом газоплазменного напыления на воздухе порошковой смеси марки ПНХ20К20Ю13-1 (ТУ 14-22-11-88) исходной дисперсностью 100 и 80 мкм с помощью установки УПУ-3Д наносился связующий подслой толщиной 80-120 мкм.

Указанная порошковая смесь в состоянии поставки (состав: Ni - основа, Al ~ 14%, Cr ~ 19%, Со ~ 22%, элементы стабилизаторы ~ 1%) имела однофазный состав: интерметаллид -NiAl, а связующий подслой - фазовый состав: -NiAl+y'-Ni₃Al(20%) - после напыления и фазовый состав: -NiAl+y'-Ni₃Al(27%) после отжига при 750°С в течение 4,5 ч. и -NiAl+y'-Ni₃Al(40%) после отжига при 800°С в течение 4,5 ч. (рентгеновский анализ выполнен на дифрактометре «Дрон-3М» - съемка по Брэггу-Брентано, Cu-K-излучение).

Уменьшение дисперсности исходной порошковой смеси марки ПНХ20К20Ю13-1 со 100 до 80 мкм и менее позволило уменьшить пористость подслоя связующего с ~13,6% до ~6,8%, получаемого газоплазменным напылением на воздухе (без отжига) такой смеси, при достижении плотности подслоя ~7940 кг/м ³ и микротвердости поверхности подслоя ~3460 МПа (определение пористости проведено методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 18989-89, измерение микротвердости - с помощью микротвердомера ПМТ-3 на поперечных шлифах при нагрузке на индентор 0,5 и 2 Н по ГОСТ 9450-76).

Указанные характеристики получены в результате экспериментального подбора оптимального режима газо-плазменного напыления на воздухе: при токе дуги ~450 А, дистанции напыления ~80 мм и расходе газа ~30 л/мин.

На нанесенный связующий подслой на указанной же установке УПУ-3Д методом газо-плазменного напыления на воздухе порошковой смеси с дисперсностью ~90 мкм диоксида циркония с окисью иттрия (состав: ZrO₂-8Y ₂O₃) наносился рабочий керамический слой толщиной 100-150 мкм.

Применение полученного жаростойкого покрытия обеспечило повышение ресурса лопатки турбины газотурбинного двигателя ~1,8 раза.

1. Лопатка турбины газотурбинного двигателя с жаростойким покрытием, содержащая перо со связующим подслоем на его поверхности, имеющим фазовый состав на основе интерметаллидной никель-алюминиевой (+y')-фазы и рабочим керамическим слоем на основе диоксида циркония, характеризующаяся тем, что связующий подслой сформирован для уменьшения образования в нем y'-фазы газоплазменным напылением на воздухе на поверхность пера порошковой смеси на основе интерметаллидной никель-алюминиевой -фазы без последующего отжига, а рабочий керамический слой на основе диоксида циркония нанесен на указанный связующий подслой также путем газоплазменного напыления на воздухе.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что ее жаростойкое покрытие состоит из связующего подслоя на основе интерметаллидной никель-алюминиевой (+y')-фазы при содержании y'-фазы ~20% толщиной 80-120 мкм и рабочего керамического слоя на основе диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия, толщиной 100-150 мкм.

3. Лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что связующий подслой сформирован газо-плазменным напылением на воздухе на поверхность пера порошковой смеси марки ПНХ20К20Ю13-1 с дисперсностью ~80 мкм при токе дуги 450 А, дистанции напыления 80 мм и расходе газа 30 л/мин.