Структурные изменения электродугового термобарьерного покрытия на лопатках газотурбинных двигателей после эксплуатации

Металлургия и материаловедение

Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

2020. Т. 27. № 2. С. 207-213.

DOI: 10.34759/vst-2020-2-207-213

Авторы

Головач А. М. *, Дмитриева М. О. **, Бондарева О. С. ***

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: machete.ru2016@gmail.com
**e-mail: mdmitr1ewa@yandex.ru
***e-mail: osbond@yandex.ru

Аннотация

В условиях высокотемпературной эксплуатации к компонентам газотурбинных двигателей предъявляются особые требования, поэтому с целью защиты элементов газовой турбины были разработаны теплозащитные покрытия (ТЗП), представляющие собой систему из двух или более слоев, нанесенных специальным способом на подложку. В данной работе для исследования были выбраны покрытия, полученные методом электродугового физического пароосаждения (ЭДП). Для системы ТЗП использовались три типа сплавов: СДП-4, представляющий собой покрытие типа NiCoCrAlY; ВСДП-16 – диффузионное покрытие типа AlNiY и, наконец, керамический слой из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (ZrO2 + 8% Y2O3). Химический состав теплозащитного покрытия определялся с помощью рентгеноспектрального микроанализатора системы Inca Energy OXFORD instruments. Определено, что после длительной эксплуатации связующий слой покрытия, образованный сплавами СДП-4 и ВСДП-16, имеет две четко определенные зоны: β-NiAl-фазу и зону интердиффузии, в то время как NiCrCoAlY не проявляет разделения фаз, и структура покрытия представляет собой смесь β-NiAl- и γ - фазы. Установлено, что происходит диффузия кислорода снаружи керамического верхнего слоя до его границы с жаропрочным подслоем, что способствует образованию термически выращенного оксида – α -Al2O3. Замечено, что сплав ВСДП-16, осаждаемый на слой СДП-4, увеличивает количество алюминия в связующем покрытии, компенсируя его расход на образование α -Al2O3 из β -NiAl-фазы.

Ключевые слова:

керамическое покрытие, жаропрочный подслой, термически выращенный оксид

Библиографический список

  1. Бакланов А.В. Экспериментальное исследование температурного состояния стенок жаровой трубы многофорсуночной камеры сгорания газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 116-125.

  2. Хрящев И.И., Данилов Д.В., Логунов А.В. Разработка экономнолегированного никелевого жаропрочного сплава для рабочих лопаток газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 205-218.

  3. Ткаченко А.Ю., Филинов Е.П. Повышение эффективности газотурбинной установки для нового поколения газотурбовоза // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 1. С. 143-151.

  4. Padture N.P., Gell M., Jordan E.H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications // Science. 2002. Vol. 296. No. 5566, pp. 280-284. DOI: 10.1126/science.1068609

  5. Грешта В.Л. Применение керамических покрытий для защиты деталей ГТД, работающих в условиях экстремально высоких температур // Вестник двигателестроения. 2015. № 1. С. 168-171.

  6. Bose S., Demasi J. Thermal barrier coating experience in gas turbine engines // Journal of Thermal Spray Technology. 1997. Vol. 6. No. 1, pp. 99-104.

  7. Vaßen R., Traeger F., Stöver D. New thermal barrier coatings based on pyrochlore/YSZ double layer systems // International Journal of Applied Ceramic Technology. 2004. Vol. 1. No. 4, pp. 351-356. DOI: 10.1111/j.1744-7402.2004.tb00186.x

  8. Будиновский С.А., Смирнов А.А., Матвеев П.В., Чубаров Д.А. Разработка теплозащитных покрытий для рабочих и сопловых лопаток турбины из жаропрочных и интерметаллидных сплавов // Труды ВИАМ. 2015. № 4. С. 33-40.

  9. Pomeroy M.J. Coatings for gas turbine materials and long term stability issues // Materials and Design. 2005. Vol. 26. No. 3, pp. 223-231. DOI: 10.1016/j.matdes.2004.02.005

  10. Karaoglanli A.C, Altuncu E., Ozdemir I., Turk A., Ustel F. Structure and durability evaluation of YSZ + Al2O3 composite TBCs with APS and HVOF bond coats under thermal cycling conditions // Surface and Coatings Technology. 2011. Vol. 205. No. 2, pp. 369-373. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.04.081

  11. Pujol G., Ansart F., Bonino JP., Malié A., Hamadi S. Step-by-step investigation of degradation mechanisms induced by CMAS attack on YSZ materials for TBC applications // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 237, pp. 71-78. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.08.055

  12. Han M., Zhou G., Huang J., Chen S. Optimization selection of the thermal conductivity of the top ceramic layer in the double-ceramic-layer thermal barrier coatings based on the finite element analysis of thermal insulation // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 240, pp. 320-326. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.12.047

  13. Bahadori E., Javadpour S., Shariat M.H., Mahzoon F. Preparation and properties of ceramic Al2O3 coating as TBCs on MCrAlY layer applied on Inconel alloy by cathodic plasma electrolytic deposition // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. No. 1, pp. 611-614. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.10.060

  14. Saremi M., Afrasiabi A., Kobayashi A. Bond coat oxidation and hot corrosion behavior of plasma sprayed YSZ coating on Ni superalloy // Transactions of JWRI. 2007. Vol. 36. No. 1, pp. 41-45.

  15. Strangman T., Raybould D., Jameel A., Baker W. Damage mechanisms, life prediction, and development of EB-PVD thermal barrier coatings for turbine airfoils // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 202. No. 4-7, pp. 658-664. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.06.067

  16. Иванов А., Смирнов Б. Электронно-лучевое напыление: технология и оборудование // Промышленные технологии. 2012. Т. 36. № 6. С. 28-34.

  17. Peng H., Wang L., Guo L., Miao W., Guo H., Gong S. Degradation of EB-PVD thermal barrier coatings caused by CMAS deposits // Progress in Natural Science: Materials International. 2012. Vol. 22. No. 5, pp. 461-467. DOI: 10.1016/j.pnsc.2012.06.007

  18. Rätzer-Scheibe H.-J., Schulz U. The effects of heat treatment and gas atmosphere on the thermal conductivity of APS and EB-PVD PYSZ thermal barrier coatings // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201. No. 18, pp. 7880-7888. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.03.028

  19. Stöver D., Pracht G., Lehmann H., Dietrich M., Döring J.-E., Vaßen R. New material concepts for the next generation of plasma-sprayed thermal barrier coatings // Journal of Thermal Spray Technology. 2004. Vol. 13. No. 1, pp. 76-83. DOI: 10.1007/s11666-004-0052-4

  20. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Луценко А.Н. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Металлы. 2007. № 5. С. 23-34.

  21. Chen W.R., Wu X., Marple B.R., Lima R.S., Patnaik P.C. Pre-oxidation and TGO growth behaviour of an air-plasma-sprayed thermal barrier coating // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202. No. 16. pp. 3787-3796. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2008.01.021

  22. Saruhan B., Francois P., Kritscher K., Schulz U. EB-PVD processing of pyrochlore-structured La2Zr2O7-based TBCs // Surface and Coatings Technology. 2004. Vol. 182. No. 2-3, pp. 175-183. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2003.08.068

  23. Ma W., Gong S., Xu H., Cao X. The thermal cycling behavior of lanthanum-cerium oxide thermal barrier coating prepared by EB–PVD // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 200. No. 16-17, pp. 5113-5118. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.05.033

  24. Nicholls J.R., Lawson K.J., Johnstone A., Rickerby D.S. Methods to reduce the thermal conductivity of EB-PVD TBCs // Surface and Coatings Technology. 2002. Vol. 151-152, pp. 383-391. DOI: 10.1016/S0257-8972(01)01651-6

  25. Петрова Л.Г., Александров В.А., Барабанов С.И. Современные методы исследования структуры и свойств диффузионных слоев после химико-термической обработки // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2011. № 54. С. 60-72.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2020