Улучшенная связь

Dec 12, 2023

Исследовательский центр Льюиса, Кливленд, Огайо

Было показано, что существующие в настоящее время термобарьерные покрытия (TBC) способны снизить среднюю температуру металлических компонентов на 50–80 °C, а температуру горячих точек — до 140 °C. Такое существенное снижение температуры было использовано для продления срока службы металлических компонентов авиационных турбин. Однако для критически важных применений, направленных на улучшение характеристик двигателя, где задействованы значительно более высокие температуры, требуются TBC с более высоким сроком службы. Было продемонстрировано, что улучшенное связующее покрытие, включающее металлические и керметные слои, увеличивает термоусталостный срок службы термобарьерного покрытия, напыленного плазмой (TBC), в два или более раза. Эти TBC могут применяться к компонентам газовых турбин и дизельных двигателей.

Типичный TBC включает один слой металлического связующего покрытия толщиной от 0,005 до 0,008 дюйма (около 0,13-0,020 мм), покрытый одним слоем керамического верхнего покрытия толщиной от 0,005 до 0,020 дюйма (около 0,13-0,50 мм). Слой связующего покрытия обычно представляет собой MCrAlX, где M означает Ni, Co или Fe, а X означает Y, Zr, Hf, Yb или другой химически активный элемент. Керамический верхний слой покрытия обычно представляет собой диоксид циркония, частично стабилизированный 6-8 массовыми процентами иттрия. Соединительный слой обычно обрабатывается плазменным напылением, а верхний слой может быть обработан либо плазменным напылением, либо электронно-лучевым физическим осаждением из паровой фазы. Для TBC, использующих верхнее покрытие, напыленное плазмой, связующее покрытие имеет шероховатую поверхность для улучшения сцепления.

Несмотря на необходимость шероховатости связующего покрытия для улучшения адгезии, шероховатость также имеет тенденцию усиливать напряжения, возникающие на границе раздела между керамикой и связующим слоем. Недавние исследования показали, что высокие напряжения особенно значительны вблизи пиков шероховатого связующего слоя (см. Рисунок 1). Детальное исследование также показало, что напряжения можно свести к минимуму, согласовав тепловое расширение выступов связующего слоя с керамическим верхним слоем.

На рис. 2 показана конструкция TBC, которая решает эти проблемы за счет использования двухслойного связующего покрытия. Первый слой связующего покрытия представляет собой типичный MCrAlX, как описано выше для обычного TBC. Второй слой связующего покрытия включает мелкую дисперсию второй фазы в виде частиц в матрице MCrAlX. Вторая фаза должна иметь коэффициент теплового расширения такой же низкий или предпочтительно ниже, чем у керамического слоя диоксида циркония, стабилизированного иттрием, она должна быть стабильной до предполагаемой температуры использования, химически инертной по отношению к матрице MCrAlX и должна быть химически совместимым с термически выращенной окалиной оксида алюминия. Кандидаты на вторую фазу включают оксид алюминия, хром, иттрий-алюминиевый гранат, никель-алюминиевую шпинель, иттрий, муллит и другие оксиды.

Поскольку целью является достижение соответствия расширения пиков второго слоя оксиду циркония, стабилизированному иттрием, частица второй фазы должна иметь размеры меньшие, чем размеры пиков, обычно менее 5 мкм, и должна быть хорошо диспергирована в матрице MCrAlX. Объемная доля частиц должна быть достаточно высокой для достижения существенного соответствия максимального расширения максимальному расширению керамического слоя. В случае добавок оксида алюминия к MCrAlX требуется объемная доля оксида алюминия 0,71 для достижения почти нулевого несоответствия теплового расширения. На практике тепловое расширение второго слоя должно быть сбалансировано с другими требованиями к слою, такими как пластичность и стойкость к окислению.

До настоящего времени покрытия наносились плазменным напылением с использованием исходных порошков, полученных методом механического легирования. Разработанный процесс механического легирования позволил получить плазменно-напыленные исходные порошки с мелкодисперсным содержанием субмикронных частиц оксида алюминия до 20 объемных процентов. Срок службы керамического слоя был увеличен вдвое для TBC при использовании связующего слоя с добавлением всего лишь 5 объемных процентов оксида алюминия. Это технологически важное и повторяемое увеличение срока службы может быть использовано для повышения рабочих температур TBC.