Лопатка газотурбинной установки с многослойным керамическим покрытием

Полезная модель относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности и может быть использована для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии. Лопатка газотурбинной установки с многослойным теплозащитным покрытием, включает нанесенный на поверхность лопатки основной металлический жаростойкий подслой, верхний керамический теплозащитный слой и дополнительный металлический жаростойкий подслой. Основной металлический жаростойкий подслой выполнен из сплава на основе никеля, содержащего 1825% кобальта, 1420% хрома, 1114% алюминия и 0,10,7 иттрия. Верхний керамический теплозащитный слой, выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO2, частично стабилизированного 68% по массе оксида иттрия ZrO3. Дополнительный металлический жаростойкий подслой выполнен между основным металлическим жаростойким подслоем и верхним керамическим теплозащитным слоем из сплава на основе никеля, содержащего 1825% кобальта, 1420% хрома, 1013% алюминия и 0,10,7 иттрия. Техническим результатом является защита от воздействия высоких температур, эрозии и коррозии с помощью формирования долговечных теплозащитных покрытий. 1 н.п.ф.

Полезная модель относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности и может быть использована 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, Со) 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 -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 теплозащитного покрытия призван снизить температуру детали за счет низкой теплопроводности. Сочетание многослойной структуры теплозащитного покрытия и требуемых эксплуатационных условий делает его крайне сложной системой.

Уже более 35 лет используются материалы на основе двуокиси циркония, стабилизированной 6-8% оксида иттрия (7YSZ). Этот материал обладает уникальным сочетанием свойств - он имеет один из самых низких коэффициентов теплопроводности (2,3 Вт/м·K при 1000°C для плотного материала) и стабильно высокий коэффициент теплового расширения (11·10^-6 1/°C в диапазоне 20-1000°C). Среди его недостатков необходимо особо отметить дестабилизацию кристаллической структуры YSZ при температурах более 1200°C; высокую ионную проводимость YSZ по кислороду при температурах более 1100°C; высокую скорость спекания YSZ при температурах более 1100°C.

Чистый диоксид циркония ZrO₂ имеет три полиморфных модификации (моноклинную при Т<1446К, тетрагональную при Т<2643К и кубическую Т>2643К). Для применения в качестве материала теплозащитного покрытия необходимо стабилизировать оксидом иттрия Y₂ O₃ (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'-YSZt-YSZ+c-YSZm-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. Таким образом, необходимо повышение фазовой стабильности существующих составов теплозащитных покрытий или поиск новых.

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 (Thermally Grown Oxide, TGO). 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: -твердый раствор на основе Ni(Co) и -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 -Ni(Co)Al определяет долговечность покрытия в целом.

Проведенные исследования показали, что в покрытиях на основе NiCoCrAlY, полученных методом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) содержание -Ni(Co)Al выше, чем полученных методом плазменного напыления на воздухе (APS). Причиной является низкое окисление исходного материала в процессе напыления и высокая плотность, минимизирующая «внутреннее» окисление покрытия. Как известно, покрытия полученные методом APS имеют более развитую поверхность (шероховатость), чем HVOF - за счет этого достигается повышение адгезии к нему керамического слоя.

Из уровня техники известна лопатка газотурбинной установки с многослойным теплозащитным покрытием, включающая нанесенный на поверхность лопатки 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 направлена предлагаемая полезная модель, 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 лопатка газотурбинной установки с многослойным теплозащитным покрытием, включает нанесенный на поверхность лопатки основной металлический жаростойкий подслой выполненный из сплава на основе никеля, содержащего 1825% кобальта, 1420% хрома, 1114% алюминия и 0,10,7 иттрия и верхний керамический теплозащитный слой, выполненный из материала на основе диоксида циркония ZrO2, частично стабилизированного 68% по массе оксида иттрия Y2O3, при чем между основным металлическим жаростойким подслоем и верхним керамическим теплозащитным слоем выполнен дополнительный металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля, содержащего 1825% кобальта, 1420% хрома, 1013% алюминия и 0,10,7 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 1114%. Хром вводится в сплав в количестве 1420% - он понижает количество алюминия, необходимое для формирования и сохранения защитной оксидной пленки, а также придает превосходную коррозионную устойчивость. Содержание иттрия должно составлять 0,10,7% - 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 1825%). 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, который выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO2, частично стабилизированного 68% 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.

Пример:

На поверхность рабочей лопатки газотурбинного двигателя из никелевого сплава ЧС-88 нанесли теплозащитное покрытие, включающее три слоя: методом высокоскоростного напыления основной металлический подслой на никелевой основе (Ni-20Co-17Cr-12Al-0,6Y) толщиной 100 мкм, методом плазменного напыления на воздухе дополнительный металлический подслой на никелевой основе (Ni-20Co-17Cr-12Al-0,6Y) толщиной 30 мкм и методом плазменного напыления на воздухе верхний керамический слой на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (ZrO₂-7Y₂O₃ толщиной 250 мкм.

Лопатка газотурбинной установки с многослойным теплозащитным покрытием, содержащая нанесенный на ее поверхность основной металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля, дополнительный металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля и верхний керамический теплозащитный слой, отличающийся тем, что основной металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля имеет толщину 20-150 мкм и содержит 18-25% кобальта, 14-20% хрома, 11-14% алюминия, 0,1-0,7% иттрия, дополнительный металлический жаростойкий подслой из сплава на основе никеля имеет толщину 10-50 мкм и содержит 18-25% кобальта, 14-20% хрома, 10-13% алюминия, 0,1-0,7% иттрия, верхний керамический теплозащитный слой имеет толщину 120-750 мкм и выполнен из материала на основе диоксида циркония ZrO₂, частично стабилизированного 6-8 мас.% оксида иттрия Y₂O₃.