ПОКРЫТИЕ (ВАРИАНТЫ), ДЕТАЛЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛИ ОТ ПОВРЕЖДЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПЕСКА Российский патент 2011 года по МПК C23C30/00 C23C14/08 C23C16/40 F01D5/28 

Область техники, к которой относится изобретение.

Данное изобретение относится к области машиностроения и неорганической химии, конкретно к термобарьерным покрытиям, устойчивым к воздействию систем окислов кальция, магния, алюминия и кремния (CMAS), к способу формирования таких покрытий и к деталям, имеющим такое покрытие. Изобретение может быть использовано в машиностроении, при изготовлении деталей газотурбинных двигателей.

Уровень техники

Постепенное разрушение деталей, имеющих аэродинамические поверхности, связанное с повреждениями термобарьерных покрытий вследствие воздействия песка, является существенным фактором, который необходимо принимать во внимание при эксплуатации любых газотурбинных двигателей в условиях пустыни.

Износ такого рода может потребовать снятия двигателя с эксплуатации для проведения значительных ремонтно-восстановительных работ.

Повреждения под воздействием песка связаны с проникновением расплавленных отложений, образовавшихся из песка (fluid sand deposits), в термобарьерное покрытие, что ведет к расслоению и ускоренному окислению любого металла, подвергающегося такому воздействию.

Раскрытие изобретения

В соответствии с данным изобретением предлагается система покрытия, уменьшающая повреждения деталей газотурбинных двигателей, связанные с воздействием песка. Система покрытия, в общих чертах, состоит из чередующихся слоев окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала.

Далее, в соответствии с данным изобретением предлагается деталь газотурбинного двигателя, состоящая из основы и чередующихся слоев окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала. Каждый слой стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала может быть сформирован из окиси, выбираемой из группы, состоящей из окисей лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, туллия, иттербия, лютеция, скандия, индия, циркония, гафния и титана или, альтернативно, из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния.

Кроме того, в соответствии с данным изобретением предлагается способ формирования системы покрытия, уменьшающей повреждения, вызываемые воздействием песка. Способ состоит из этапов получения основы и нанесения на нее чередующихся слоев материалов: окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала.

Другие подробности, относящиеся к покрытиям, устойчивым к воздействию CMAS, предлагаемым в данном изобретении, а также другие цели изобретения и его преимущества представлены в следующем далее подробном описании и приложенных чертежах, на которых одинаковыми номерами обозначены аналогичные элементы.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является схематическим представлением детали газотурбинного двигателя с нанесенным на нее покрытием, соответствующим настоящему изобретению.

Фиг.2 является схематическим представлением детали газотурбинного двигателя с нанесенной на нее альтернативной системой покрытия в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

Было установлено, что некоторые покрытия вступают в реакции с расплавленными отложениями песка и отложениями, образующимися под воздействием песка (fluid sand deposits), причем в результате реакций образуется такой продукт, который препятствует проникновению расплавленных отложений песка в покрытие.

Этот продукт реакций был идентифицирован как оксиапатит кремния/гранат (silicate oxyapatite/garnet), содержащий, главным образом, окись гадолиния, окись кальция, окись циркония и окись кремния. Данное изобретение относится к таким системам покрытия деталей, например деталей газотурбинных двигателей, которые используют преимущества, вытекающие из указанного выше открытия.

В соответствии с данным изобретением, как показано на фиг.1, система покрытия 18, предлагаемая данным изобретением, включает чередующиеся слои окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала. Чтобы сформировать систему покрытия 18, первый слой 10 окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, наносится на поверхность 12 основы 14, например, детали газотурбинного двигателя, включая (но этим возможности не исчерпываются) лопатки и венцы лопаток.

Основа 14 может быть изготовлена из любого подходящего материала, такого как суперсплав на основе никеля, сплав на основе кобальта, сплав на основе молибдена и сплав на основе титана. Слой 10 из окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, можно нанести, например, физическим осаждением из газовой фазы с использованием электронного луча (EB-PVD - electron-beam physical vapor deposition) или плазменным напылением в воздушной среде (air plasma spray).

Другими способами, которыми можно нанести слой 10, являются (но этим не исчерпываются возможности) способы золь-гель (sol-gel) способы, основанные на применении суспензий (slurry techniques), способы, основанные на распылении, способы химического осаждения из газовой фазы и способы на основе отвердевающих смол (UV curable resin) под воздействием ультрафиолетового излучения. Слой окиси циркония, стабилизированный окисью иттрия, повышает устойчивость системы по отношению к эрозии.

Предпочтительным процессом для нанесения слоя 10 окиси циркония стабилизированной окисью иттрия является EB-PVD. При осуществлении этого процесса основа 14 помещается в камеру для нанесения покрытий и нагревается до температуры в диапазоне 1700 - 2000 градусов по Фаренгейту (Число градусов Цельсия (С°)=5/9(°F-32)). Давление в камере для нанесения покрытий можно поддерживать в пределах от 0,1 до 1,0 миллиторр (1 торр = 1 мм ртутного столба=133, 322 Па). Скорость поступления исходного материала может составлять от 0,2 до 1,5 дюймов (1 дюйм = 25,4 мм) в час.

Время нанесения покрытия может лежать в диапазоне от 20 до 120 минут.

Нанесенный слой 10 окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, может иметь толщину от 0,5 до 50 мил (1 мил = 0,0254 мм), предпочтительно - от 1,0 до 5,0 мил. В нанесенном слое 10 содержание окиси иттрия может лежать в диапазоне от 4,0 до 25% по массе, предпочтительно - от 6,0 до 9,0% по массе. Нанесенный слой 10 может состоять из окиси иттрия в количестве от 4,0 до 25% по массе и окиси циркония, составляющей всю оставшуюся часть. В более предпочтительном воплощении нанесенный слой 10 может содержать окись иттрия в количестве от 6,0 до 9,0% по массе и окись циркония, составляющую всю оставшуюся часть.

После нанесения слоя 10, состоящего из окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, поверх этого слоя 10 можно сформировать слой 20, состоящий из стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала. Слой 20 может быть сформирован из по крайней мере одной окиси, выбираемой из группы, состоящей из окисей лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, туллия, иттербия, лютеция, скандия, индия, циркония, гафния и титана. Альтернативно, слой 20 может быть сформирован из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния. Материалы, формирующие слой 20, возможно наносить, применяя любой из способов нанесения, упомянутых выше. Когда слой 20 сформирован из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния, то слой 20 может содержать окись гадолиния в количестве от 25 до 99,9 по массе и иметь толщину в диапазоне от 0,5 до 50 мил. В предпочтительном воплощении окись гадолиния присутствует в количестве от 40 до 70% по массе и/или слой 20 имеет толщину в диапазоне от 1,0 до 5,0 мил. Если желательно, слой 20 можно сформировать из материала, содержащего от 25 до 99,9% окиси гадолиния по массе и окись циркония, составляющую всю оставшуюся часть. Кроме того, если желательно, слой 20 может быть сформирован из материала, содержащего от 40 до 70% окиси гадолиния по массе и окись циркония, составляющую всю оставшуюся часть.

После нанесения слоя 20 на слой 10 можно далее на слой 20 нанести второй слой 22 окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия. Слой 22 окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, может иметь любой состав из рассмотренных выше и может быть нанесен любым из описанных здесь способов. После этого второй слой 24, состоящий из стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала, наносится поверх слоя из окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия. Число слоев окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и слоев стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала будет меняться в зависимости от применения. Число слоев является функцией требуемой толщины покрытия и его назначения.

Многослойная система покрытия согласно данному изобретению может не иметь выраженных границ между слоями окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и слоями стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала. Более точно можно сказать, что эти слои постепенно переходят друг в друга, образуя градиент от области, богатой окисью циркония, стабилизированной окисью иттрия, к области, стабилизированной окисью гадолиния.

Так как толщина каждого слоя, как ясно из сказанного выше, выбирается независимо, то следует признать, что нет необходимости в том, чтобы слои материалов при покрытии имели всюду одинаковую толщину.

Слои стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала будут вступать в реакции с расплавленными отложениями песка, в результате чего будет образовываться барьерная фаза, состоящая из оксиапатита кремния и/или граната, которая будет препятствовать дальнейшему проникновению расплава. Слой 20, состоящий из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния, имеет достаточную толщину, чтобы сформировалась необходимая барьерная фаза. Система покрытия обеспечивает повышенную износостойкость в средах, в которых происходят повреждения аэродинамических поверхностей турбин, вызванные воздействием песка.

Как показано на фиг.2, возможно, если желательно, нанести на основу 14 металлическое связующее покрытие 30, обеспечивающее связь основы 14 с первым слоем 10, материалом которого является окись циркония, стабилизированная окисью иттрия. Металлическое связующее покрытие 30 может представлять собой связующее покрытие типа MCrAlY, где М - по крайней мере один металл из следующих: никель, кобальт, железо. Альтернативно, металлическое связующее покрытие 30 может быть связующим покрытием из алюминида или алюминида платины (platinum aluminide). Связующее покрытие 30 может иметь толщину в диапазоне от 0,5 до 20 мил, предпочтительно - от приблизительно 0,5 до 10 мил. Связующее покрытие 30 может быть нанесено плазменным напылением при низком давлении напылением с помощью кислородно-топливных горелок (HVOF - high velocity oxygen fuel), с использованием катодной дуги, процесса диффузии, процесса плазменного напыления в воздушной среде или гальванического процесса, а также любого процесса, с помощью которого можно формировать плотные однородные металлические структуры.

Изобретение относится к детали газотурбинного двигателя, термобарьерному покрытию (варианты) и способу защиты деталей от повреждений, связанных с воздействием песка. Термобарьерное покрытие состоит из чередующихся слоев окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и слоев стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала. Внешний слой, стойкий к воздействию расплавленных силикатов, может быть сформирован по меньшей мере из одной окиси, выбранной из группы, состоящей из окисей лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, туллия, иттербия, лютеция, скандия, индия, циркония, гафния и титана, или может быть сформирован из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния. Кроме того, между основой и системой термобарьерного покрытия может присутствовать металлическое связующее покрытие. 4 н. и 33 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Деталь газотурбинного двигателя, состоящая из основы и термобарьерного покрытия, состоящего из нанесенных на основу первого слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и стойкого к воздействию расплавленных силикатов второго слоя материала, отличающаяся тем, что слои расположены чередующимися.

2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что стойкий к воздействию расплавленных силикатов материал содержит по меньшей мере одну из окисей, выбранных из группы, состоящей из окисей лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, туллия, иттербия, лютеция, скандия, индия, циркония, гафния и титана.

3. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что стойкий к воздействию расплавленных силикатов материал состоит из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния.

4. Деталь по п.3, отличающаяся тем, что в окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния, окись гадолиния составляет от 25 до 99,9% по массе, а окись циркония составляет остальное.

5. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что слой стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала имеет толщину от 0,0127 до 0,127 мм (0,5-50 мил).

6. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один слой окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, содержит от 4,0 до 25% по массе окиси иттрия, а окись циркония составляет остальное.

7. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один слой окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, содержит от 6,0 до 9,0% по массе окиси иттрия, а окись циркония составляет остальное.

8. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что каждый слой окиси циркония, стабилизированный окисью иттрия, имеет толщину от 0,0254 до 1,27 мм (1,0-50 мил).

9. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что основа изготовлена из материала, выбранного из группы, состоящей из сплавов на основе никеля, сплавов на основе кобальта и сплавов на основе молибдена.

10. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно имеет металлическое связующее покрытие, расположенное между основой и термобарьерным покрытием.

11. Термобарьерное покрытие, характеризующееся тем, что оно состоит из первого слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, первого слоя стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала, нанесенного поверх указанного первого слоя, состоящего из окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия; второго слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, нанесенного поверх указанного первого слоя, состоящего из стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала, и второго слоя стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала, нанесенного поверх указанного второго слоя, состоящего из окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия.

12. Покрытие по п.11, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный слой окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и по меньшей мере один дополнительный слой из стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала.

13. Покрытие по п.11, отличающееся тем, что стойкий к воздействию расплавленных силикатов материал содержит по меньшей мере одну окись, выбранную из группы, содержащей окиси лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, туллия, иттербия, лютеция, скандия, индия, циркония, гафния и титана.

14. Покрытие по п.11, отличающееся тем, что стойкий к воздействию расплавленных силикатов материал состоит из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния.

15. Покрытие по п.14, отличающееся тем, что в окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния, окись гадолиния составляет от 25 до 99,9% по массе, а окись циркония составляет остальное.

16. Покрытие по п.14, отличающееся тем, что в окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния, окись гадолиния составляет от 40 до 70% по массе, а окись циркония составляет остальное.

17. Покрытие по п.11, отличающееся тем, что каждый слой стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала имеет толщину от 0,0127 до 0,127 мм (0,5 до 50 мил).

18. Покрытие по п.11, отличающееся тем, что по меньшей мере один слой окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, содержит от 4,0 до 25% по массе окиси иттрия, а окись циркония составляет остальное.

19. Покрытие по п.11, отличающееся тем, что по крайней мере один слой окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, содержит от 6,0 до 9,0% по массе окиси иттрия, а окись циркония составляет остальное.

20. Покрытие по п.11, отличающееся тем, что каждый слой окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, имеет толщину от 0,0127 до 0,127 мм (0,5-50 мил).

21. Способ защиты детали от повреждений, связанных с воздействием песка, отличающийся тем, что получают основу детали и формируют на ней термобарьерное покрытие нанесением чередующихся слоев окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение чередующихся слоев включает нанесение слоя стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала, состоящего по меньшей мере из одной окиси элемента, выбранной из группы, состоящей из окисей лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, туллия, иттербия, лютеция, скандия, индия, циркония, гафния и титана.

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение чередующихся слоев включает нанесение по меньшей мере одного слоя окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что нанесение окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния, включает нанесение материала, состоящего из 25-99,9% по массе окиси гадолиния и окиси циркония, составляющей остальное.

25. Способ по п.23, отличающийся тем, что нанесение окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния, включает нанесение материала, состоящего из 40-70% по массе окиси гадолиния и окиси циркония, составляющей остальное.

26. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала включает нанесение слоя, имеющего толщину в пределах от 0,0127 до 0,127 мм (0,5 до 50 мил), поверх каждого соответствующего слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия.

27. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала включает нанесение слоя, имеющего толщину от 0,0254 до 1,27 мм (1,0-5,0 мил), поверх каждого соответствующего слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия.

28. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, включает нанесение материала, содержащего от 4,0 до 25% по массе окиси иттрия, а окись циркония составляет остальное.

29. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, включает нанесение материала, содержащего от 6,0 до 9% по массе окиси иттрия, а окись циркония составляет остальное.

30. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, включает нанесение каждого указанного слоя до толщины от 0,0127 до 0,127 мм (0,5-50 мил).

31. Способ по п.21, отличающийся тем, что нанесение слоя окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, включает нанесение каждого указанного слоя до толщины 0,0254 до 1,27 мм (1,0-50 мил).

32. Способ по п.21, отличающийся тем, что получение основы включает изготовление ее из материала, выбранного из группы, состоящей из сплавов на основе никеля, сплавов на основе кобальта и сплавов на основе молибдена.

33. Способ по п.21, отличающийся тем, что основу помещают в камеру для нанесения покрытий, в которой нагревают до температуры от 926,7 до 1093,3°С (1700-2000°F), поддерживают давление в указанной камере от 0,1 до 1,0 мм рт.ст. (миллиторр) и осуществляют последовательное формирование слоев окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия, и слоев стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала.

34. Способ по п.21, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют нанесение металлического связующего слоя между основой и указанным термобарьерным покрытием.

35. Покрытие детали, отличающееся тем, что оно представляет собой чередующиеся слои окиси циркония, стабилизированные окисью иттрия, и слои стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала, при этом каждый слой стойкого к воздействию расплавленных силикатов материала имеет барьерную фазу, препятствующую проникновению расплавленного силикатного материала и состоящую по меньшей мере из одного вещества, выбранного из группы, включающей оксиапатит и гранат.

36. Покрытие по п.35, отличающееся тем, что стойкий к воздействию расплавленных силикатов материал состоит по меньшей мере из одной окиси, выбранной из группы, состоящей из окисей лантана, церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, туллия, иттербия, лютеция, скандия, индия, циркония, гафния и титана.

37. Покрытие по п.35, отличающееся тем, что стойкий к воздействию расплавленных силикатов материал состоит из окиси циркония, стабилизированной окисью гадолиния.