Изделие, подвергаемое воздействию горячего агрессивного газа, в частности, деталь газовой турбины (варианты) и способ изготовления теплоизоляционного слоя для изделия
Изобретение относится к изделию, которое подвержено действию горячего агрессивного газа, в частности детали тепловой машины, например газовой турбины. Изделие содержит металлическую основу, на которой нанесен керамический теплоизоляционный слой. Теплоизоляционный слой содержит металлическую систему смеси оксидов и алюминат лантана и/или цирконат кальция, причем кальций частично замещен замещающим элементом, в частности стронцием. Изобретение направлено на увеличение прочности сцепления оксидных слоев с основой при воздействии горячего агрессивного газа. 3 с. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к изделию, подвергаемому воздействию горячего агрессивного газа, с металлической основой, которая несет адгезионный слой, образующий связывающий оксид, и содержит керамический теплоизоляционный слой. Изобретение относится также к нагруженным горячим газом деталям в тепловых машинах, в частности в газовой турбине, которые для защиты от горячего агрессивного газа снабжены теплоизоляционным слоем.
В US-PS 4585481 указан защитный слой для защиты металлической подложки из жаропрочного сплава от высокотемпературных окисления и коррозии. Для защитных слоев находит применение сплав типа MCrAlY. Этот защитный слой содержит 5-40% хрома, 8-35% алюминия, 0,1-2% активного к кислороду элемента из группы IIIb периодической системы, включая лантаниды и актиниды, а также их смеси, 0,1-7% кремния, 0,1-3% гафния, а также остаток, включая никель и/или кобальт (процентные данные относятся к весовым процентам). Соответствующие защитные слои из сплавов типа MCrAlY наносят согласно US-PS 4585481 способом плазменного напыления. В US-PS 4321310 описана компонента газовой турбины, которая содержит основу из жаропрочного сплава на основе никеля MAR-M-200. На основной материал нанесен слой из сплава типа MCrAlY, в частности сплава типа NiCoCrAlY с 18% хрома, 23% кобальта, 12,5% алюминия, 0,3% иттрия и остатком из никеля. Этот слой из сплава типа MCrAlY имеет полированную поверхность, на которую нанесен слой оксида алюминия. На этот слой оксида алюминия нанесен керамический теплоизоляционный слой, который имеет столбчатую структуру. За счет этой столбчатой микроструктуры теплоизоляционного слоя столбики кристаллитов стоят перпендикулярно к поверхности основы. В качестве керамического материала указан стабилизированный оксид циркония. В US-PS 5236787 указано введение между основой и керамическим теплоизоляционным слоем промежуточного слоя, который состоит из металлокерамической смеси. За счет этого металлическая составляющая этого промежуточного слоя должна увеличиваться в направлении к основе и уменьшаться в направлении к теплоизоляционному слою. И соответственно наоборот, составляющая керамики вблизи основы должна быть низкой, а вблизи теплоизоляционного слоя высокой. В качестве теплоизоляционного слоя указан стабилизированный оксидом иттрия оксид циркония с составляющими оксида церия. За счет промежуточного слоя должно достигаться согласование различных коэффициентов теплового расширения между металлической основой и керамическим теплоизоляционным слоем. В US-PS 4764341 описано связывание тонкого металлического слоя на керамике для изготовления электрических схем, так называемых печатных схем. Для металлического слоя применяют никель, кобальт, медь, а также сплавы этих металлов. Для связи металлического слоя с керамической подложкой на керамическую подложку наносят промежуточный оксид, как оксид алюминия, оксид хрома, оксид титана или диоксид циркония, который при достаточно высокой температуре за счет окисления образует тройной оксид с включением элемента металлического покрытия. В GB 2286977 A1 описан состав для неорганического покрытия, причем покрытие нанесено на низколегированную сталь и обладает жаростойкостью. Главным свойством покрытия является его стойкость к коррозии, которая достигается за счет включения в покрытие железа. Покрытие содержит до химической реакции оксиды металла, которые преобразуются в шпинели при температурах выше 1000oС. Из US-PS 4971839 известен жаростойкий защитный слой, содержащий металлическую систему смеси оксидов, которая имеет перовскитную структуру с химической структурной формулой A1-хВхМО3. При этом А является металлом группы IIIb периодической системы, В - металлом главной группы II (щелочноземельные металлы) периодической системы и М - металлом из одной из групп VIb, VIIb и VIIIb периодической системы. Коэффициент стехиометрии Х при этом лежит между 0 и 0,8. Покрытие применяется при этом на жаростойкой стали или сплаве для использования при температурах выше 600oС, в частности, для детали газовой турбины. Предпочтительно применяют аустенитный материал, основанный на никеле, кобальте или железе в качестве основного материала для детали газовой турбины. В статье "On the development of plasma-sprayed thermal barrier coatings" R. Sivakumar и М. Р. Srivastava в: Oxidation of metals, том 20, номер 3/4, 1983 указаны различные покрытия, которые содержат цирконат. Эти покрытия нанесены посредством плазменного напыления на детали из нимоника-75 и альтернативно на адгезионном слое типа CoCrAlY. Указаны результаты относительно цирконатов кальция и цирконатов магния при циклической температурной нагрузке. Задачей изобретения является создание изделия с металлической основой и связанным с ней теплоизоляционным слоем, в частности с металлической системой смеси оксидов. Изобретение исходит из знания, что использованные до сих пор керамические теплоизоляционные слои несмотря на использование, например, частично стабилизированного диоксида циркония имеют коэффициент теплового расширения, который составляет максимально только порядка 70% коэффициента теплового расширения использованной основы, в частности, из жаропрочного сплава. Вследствие коэффициента теплового расширения, меньшего по сравнению с таковым металлической основы, при нагружении горячим газом результируются тепловые напряжения. Чтобы при переменной тепловой нагрузке противодействовать таким результирующимся напряжениям, требуется допускающая расширение микроструктура теплоизоляционного слоя, например, путем регулирования соответствующей пористости или столбчатой структуры теплоизоляционного слоя. Дополнительно в случае известного из уровня техники теплоизоляционного слоя из частично стабилизированного диоксида циркония со стабилизаторами, как оксид иттрия, оксид церия и оксид лантана, могут появляться напряжения, которые результируются из термически обусловленного фазового превращения (тетрагональной в моноклинную и кубическую). Также при связанном с этим изменении объема имеет место максимально допустимая температура поверхности для теплоизоляционных слоев из диоксида циркония. Согласно изобретению задача, направленная на изделие, решается за счет того, что керамический теплоизоляционный слой содержит металлическую систему смеси оксидов, включающую алюминат лантана и/или цирконат кальция. Теплоизоляционный слой связан непосредственно или косвенно посредством адгезионного слоя с основой. Связь происходит предпочтительно через оксидный слой, который образован, например, путем окисления основы или адгезионного слоя. Связь может осуществляться также и дополнительно через механическое сцепление, например за счет шероховатости основы или адгезионного слоя. Эти теплоизоляционные слои служат для удлинения срока службы подверженных воздействию горячего газа изделий, в частности деталей в газовых турбинах, как лопатки и теплозащитные экраны. Теплоизоляционный слой обладает малой теплопроводностью, высокой температурой плавления, а также химической инертностью. Под алюминатом лантана при этом понимают также смесь оксидов, в частности, со структурой перовскита, в которой лантан частично замещен замещающим элементом. При известных условиях при этом возможно, чтобы алюминий был замещен по меньшей мере частично другим замещающим элементом. Для соответствующего алюмината лантана может быть указана химическая структурная формула типа La1-xMxAl1-yNyO3. При этом М означает замещающий элемент, который предпочтительно происходит из группы лантанидов (редких земель). N означает, например, хром. Далее предпочтительно замещающим элементом при этом является гадолиний (Gd). Коэффициент замещения Х может составлять при этом до 0,8 и предпочтительно лежит в области порядка 0,5. В области порядка 0,5 теплопроводность такого алюмината лантана имеет минимум так, что теплоизоляционный слой тем самым обладает особенно малой теплопроводностью. Коэффициент замещения у предпочтительно лежит в области 0. Дополнительно или альтернативно металлическая система смеси оксидов содержит цирконат кальция предпочтительно перовскитной структуры, причем кальций частично замещен по меньшей мере одним замещающим элементом, в частности стронцием (Sr) или барием (Ва). Для такого цирконата кальция может быть указана химическая структурная формула типа Ca1-xSrxZr1-yМyО3. Коэффициент замещения Х при этом является больше, чем 0-1, в частности больше, чем 0,2, и меньше, чем 0,8, и лежит предпочтительно в области 0,5. В этой области такой цирконат кальция также имеет минимум теплопроводности так, что за счет этого также теплопроводность теплоизоляционного слоя является особенно малой. Возможным является также применять систему смеси оксидов с цирконатом бария или цирконатом стронция (Ba1-xXxZr1-yМyО3, Sr1-xXxZr1-yМyО3) с X; Са, Sr или соответственно Ва. М может при этом означать Ti или Hf. В последующем алюминаты лантана, а также твердые растворы цирконата кальция, стронция или бария обозначают как тройной оксид или соответственно псевдотройной оксид. Тройной оксид обозначает при этом оксид, в котором кислород (анионы) соединен с двумя другими элементами (катионы). Под псевдотройным оксидом понимают вещество, которое собственно говоря содержит атомы более чем двух различных химических элементов (катионы). При этом эти атомы (катионы) принадлежат, однако, только к двум различным группам элементов, причем атомы отдельных элементов в соответственно одной из трех различных групп элементов являются одинаково действующими в кристаллографическом смысле. Предпочтительно тройной оксид базируется на элементах, которые образуют материалы группы перовскитов, причем возможным является соответствующее образование твердого раствора и модификации микроструктуры. При этом могут появляться две различные обусловленные валентностью формы перовскита, а именно перовскит А (А2+В4+О3) и перовскит В (А3+В3+О3). Материалы покрытий со структурой перовскита имеют общую химическую формулу АВО3. При этом ионы, которые обозначены занимающей место буквой А, по сравнению с ионами, которые обозначены занимающей место буквой В, являются меньшими. Структура перовскита содержит четыре атома в одной элементарной ячейке. Структура перовскита может быть охарактеризована тем, что более большие В-ионы и O-ионы образуют вместе кубическую наиболее плотную шаровую упаковку, в которой 1/4 октаэдрических междоузельных пустот заняты А-ионами. В-ионы координируются соответственно 12-тью О-ионами в форме кубо-октаэдра, с О-ионами соответственно соседствуют четыре В-иона и два А-иона. Тройной оксид является предпочтительно алюминатом лантана (LаАlO3) или цирконатом кальция (СаZrО3). Эти тройные оксиды имеют малую склонность к спеканию, высокую теплопроводность и высокий коэффициент теплового расширения. Кроме того, они имеют высокую фазовую стабильность и высокую температуру плавления. Коэффициент теплового расширения тройного оксида лежит предпочтительно между 7






Формула изобретения
1. Изделие, подвергаемое воздействию горячего агрессивного газа, состоящее из металлической основы и нанесенного на нее керамического теплоизоляционного слоя, причем керамический теплоизоляционный слой выполнен из смеси оксидов металлов, содержащей алюминат лантана.2. Изделие по п.1, отличающееся тем, что лантан в алюминате лантана частично замещен, по меньшей мере, одним замещающим элементом.3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один замещающий элемент является элементом группы лантаноидов, в частности, гадолинием (Gd).4. Изделие по любому пп.2 и 3, отличающееся тем, что замещающий элемент замещает до 0,8, предпочтительно 0,5, лантана.5. Изделие по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что смесь оксидов металла содержит оксид алюминия и диоксид циркония и, при необходимости, оксид иттрия.6. Изделие по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что между основой и керамическим теплоизоляционным слоем расположен адгезионный слой.7. Изделие по п.6, отличающееся тем, что адгезионный слой является сплавом, содержащим один из металлических элементов смеси оксидов.8. Изделие по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что металлическая основа выполнена из жаропрочного сплава на основе никеля, кобальта и/или хрома.9. Изделие по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно выполнено в виде детали тепловой машины, в частности газовой турбины.10. Изделие по п.9, отличающееся тем, что оно выполнено в виде лопатки газовой турбины, направляющей лопатки турбины или теплозащитного экрана.11. Изделие по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что коэффициент теплового расширения алюмината лантана составляет между 7



РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5